Прекрасные лекции для подготовки к экзамену (Konspekt_lektsiy_po_Informatike)

Посмотреть архив целиком

76





МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. БАУМАНА


КАФЕДРА ИУ - 7

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ

И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ











Курс лекций по дисциплине


ИНФОРМАТИКА




























Москва, 2012



Оглавление


Глава 1. Лекция 1 2

1.1. Задачи учебной дисциплины 2

1.2. Основные понятия 2

1.3. Системы счисления 6

1.3.1. Двоичная, десятичная и шестнадцатеричная системы 7

1.3.2. Перевод целых чисел 8

1.3.3. Перевод дробных чисел 9

1.4. Логические основы ЭВМ 10

1.4.1. Логические операции 11

1.4.2. Логические функции 12

1.5. Классификация ЭВМ 13

1.5.1. По принципу действия 13

1.5.2. По назначению 13

1.5.3. По этапам создания 13

Глава 2. Лекция 2 16

2.1. Структурная схема ЭВМ. 16

2.2. Микропроцессор 17

2.3. Системная шина 20

2.4. Постоянное и оперативное ЗУ 21

Глава 3. Лекция 3 23

3.1. Внешние ЗУ 23

3.1.1. Магнитные носители 23

3.1.2. Оптические носители 24

3.1.3. Флэш-память 26

3.2. Видеоподсистема ЭВМ 26

3.2.1. Видеокарта 26

3.2.2. Монитор 27

3.3. Контроллеры портов ввода-вывода 28

3.4. Периферийные устройства 29

3.4.1. Клавиатура 29

3.4.2. Манипулятор типа «мышь» 30

3.4.3. Принтеры 30

3.4.4. Сканеры 32

3.4.5. Сетевой адаптер 33

3.4.6. Модем 33

Глава 4. Лекция 4 35

4.1. Программное обеспечение ЭВМ 35

4.2. Классификация программного обеспечения 36

4.3. Операционные системы 38

4.4. Распределение ресурсов ЭВМ между процессами 40

4.5. Поддержание файловой системы 41

4.6. Обеспечение интерфейса пользователя 43

4.7. Драйверы устройств 45

Глава 5. Лекция 5 46

5.1. Понятие алгоритма 46

5.2. Алгоритмизация 47

5.3. Словесная запись алгоритмов 48

5.4. Схемы алгоритмов 48

5.5. Технология разработки алгоритмов 51

5.6. Разработка программы 52

5.7. Отладка и тестирование программы 53

Глава 6. Лекция 6 55

6.1. Вычислительные сети 55

6.2. Модель взаимодействия открытых систем 56

6.3. Сетевые протоколы 57

6.4. Топологии вычислительных сетей 58

6.5. Виды коммутации 59

6.6. Способы адресации ЭВМ в сети 60

6.7. Маршрутизация 61

Глава 7. Лекция 7 62

7.1. Глобальная сеть 62

7.2. Протоколы сети Интернет 62

7.3. Система адресации в Интернет 63

7.4. Службы сети Интернет 65

7.4.1. Электронная почта 65

7.4.2. Служба WWW 66

7.4.3. Служба передачи файлов 68

Глава 8. Лекция 8 69

8.1. Базы данных и СУБД 69

8.2. Свойства базы данных 69

8.3. СУБД 70

8.4. Реляционная модель данных 70

8.5. Нормализация отношений 71

8.6. Типы связей 72

8.7. Операции над отношениями 73

Список дополнительной литературы 74




  1. Лекция 1


    1. Задачи учебной дисциплины

Информатика является базовой учебной дисциплиной, охватывающей сведения о технических, программных и алгоритмических средствах организации современных информационных систем и формирующей у обучаемого определенный кругозор, объем знаний, уровень алгоритмического мышления, а также практические навыки работы с конкретными программными системами.

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 (информация) и Automatique (автоматика) и дословно определял новую науку об «автоматичес,ой обработке информации». В англоязычных странах информатика называется Computer Science (наука о компьютерной технике).

Информатика представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации с помощью вычислительной техники и телекоммуникационных средств связи в различных сферах человеческой деятельности.

Основная задача информатики заключается в определении общих закономерностей процессов обработки информации: создания, передачи, хранения и использования в различных сферах человеческой деятельности. Прикладные задачи связаны с разработкой методов, необходимых для реализации информационных процессов с использованием технических средств.


    1. 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 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 (= 2) или бросанием игральной кости (= 6).

Количество информации системы вычисляется по формуле, предложенной Р. Хартли:

H = H() = log2 N = .

При N = 2 количество информации минимально и равна = 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 = 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.

    1. Системы счисления

Система счисления – это соглашение о представлении чисел посредством конечной совокупности символов (цифр)
= {a0, a1, …, an-1}, называемой алфавитом. Каждой цифре ставится в соответствие определенный количественный эквивалент.

Системы счисления разделяют на позиционные и непозиционные. Рассмотрим эти системы счисления.

Непозиционная система счисления – это система, в которой цифры не меняют своего количественного эквивалента в зависимости от местоположения (позиции) в записи числа.

К непозиционным системам счисления относится система римских цифр, основанная на употреблении латинских букв для десятичных разрядов I = 1, X = 10, С = 100, М = 1000 и их половин V = 5, L = 50, D = 500.

Рассмотрим запись единиц. Числа 1 и 5 представляются соответственно цифрами I и V. Чтобы представить числа 2 или 3 необходимо записать соответствующее число единиц: II или III. Для представления чисел 4 или 9 к цифре V (пять) или X (десять) слева дописывается единица I: IV или IX. Для представления чисел 6, 7, 8 к цифре V справа подписываются соответствующее число единиц: VI, VII, VIII. Аналогично записываются десятки, сотни и тысячи.

Число в системе римских чисел записывается по схеме «тысячи-сотни-десятки-единицы».

Непозиционные системы счисления обладают следующими недостатками:

- сложность представления больших чисел (больше 10000);

- сложность выполнения арифметических операций над числами, записанными с помощью этих систем счисления.

Из-за перечисленных недостатков числа принято записывать с помощью позиционных систем счисления.

Позиционная система счисления – это система, в которой количественный эквивалент цифры зависит от ее положения в числе. Примером позиционной системы счисления является используемая нами десятичная система счисления.

Основание позиционной системы счисления – это количество символов в ее алфавите. Например, в десятичной системе счисления десять цифр, поэтому она имеет основание = 10. Позиционная система счисления с основанием n называется n-ичной.

Далее рассматриваются только позиционные системы счисления, поэтому слово «позиционная» опускается.

      1. Двоичная, десятичная и шестнадцатеричная системы

Значение числа, представленного конечной дробью, в n-ичной системе счисления

amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k,

где «,» – разделитель целой и дробной частей; ai, = k, m; или с явным указанием основания системы счисления

(amam–1…a1a0,a–1a–2…a–k)n,

определяется по формуле

amnm + am–1nm–1 + … + a1n1 + a0n0 +

+ a–1n–1 + a–2n–2 + … + a–kn–k =

В информатике и вычислительной технике широко используются следующие системы счисления:

- двоичная n = 2; используемый алфавит: = {0, 1}; например, 01110002;

- десятичная n = 10; используемый алфавит: = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}; например, 10210; в дальнейшем числа без указания основания системы счисления будем считать десятичными;

- шестнадцатеричная n = 16; используемый алфавит: = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F}; цифры A, B, C, D, E, F имеют десятичные количественные эквиваленты 10, 11, 12, 13, 14, 15 соответственно; например, AB034D16.

Представление цифр в двоичной, десятичной и шестнадцатеричной системах счисления представлено в таблице.


Десятичная

Двоичная

Шестнадцатеричная

0

0000

0

1

0001

1

2

0010

2

3

0011

3

4

0100

4

5

0101

5

6

0110

6

7

0111

7

8

1000

8

9

1001

9

10

1010

A

11

1011

B

12

1100

C

13

1101

D

14

1110

E

15

1111

F

В вычислительной технике используется двоичная система счисления, то есть все числа и данные представляются в виде последовательности нулей и единиц (бит). Двоичная система счисления обладает следующими преимуществами перед системами счисления с другими основаниями:

- для реализации двоичных цифр необходимы технические устройства с двумя устойчивыми состояниями: «ток есть» – «ток отсутствует», «намагничено» – «не намагничено» и т. п., а не с десятью – как в десятичной системе счисления;

- представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво;

- для выполнения арифметических операций используется простой аппарат алгебры высказываний (булевой алгебры).

В вычислительной технике процессы ввода, вывода и обработки числовых данных связаны с преобразованием чисел из одной системы счисления в другую. Поэтому рассмотрим правила перевода чисел одной системы счисления в систему счисления с другим основанием.

Перевод целого или дробного числа из n-й системы счисления в десятичную - число из n-й системы счисления в десятичную переводится с использованием формализованного представления числа.

      1. Перевод целых чисел

Правила перевода числа в другую, не десятичную систему счисления различаются для целых и дробных чисел.

Перевод целого числа X осуществляется по следующему алгоритму:

1) получить цифру числа n-ой системы счисления как остаток от деления числа X на основание новой системы счисления n; полученную цифру приписать слева от имеющихся цифр;

2) принять за X частное от деления числа X на основание системы счисления n;

3) выполнять шаги 1-2, пока  0.

Пример. Перевести число 25 в двоичную систему счисления.

Решение. Удобно представить перевод числа в виде столбца, каждая строка которого содержит частное и остаток от деления числа X на основание двоичной системы счисления n = 2.

В результате получим число 110012 – результат перевода числа 25 в двоичную систему счисления. □

Перевод из шестнадцатеричной в двоичную систему счисления - каждая цифра шестнадцатеричного числа заменяется тетрадой (четырьмя битами), являющейся представлением этой цифры в двоичной системе счисления.

Пример. Перевести число 3BC16 в двоичную систему счисления.

Решение. Цифра 316 представляется числом 00112, B16 – 10112, C16 – 11002. Тогда результат перевода числа 3BC16 в двоичную систему счисления будет равен 0011101111002. □

Перевод из двоичной в шестнадцатеричную систему счисления - двоичное число делится на тетрады справа налево. Каждая тетрада заменяется соответствующей ей цифрой. Если самая левая тетрада неполная, то есть содержит меньше четырех цифр, то слева от числа дописываются нули.

Пример. Перевести число 11101111002 в шестнадцатеричную систему счисления.

Решение. Разделим число на тетрады и поставим в соответствие каждой тетраде шестнадцатеричную цифру. В самой левой тетраде только две единицы, поэтому дополним ее слева двумя нулями.

11

1011

1100

0011

1011

1100




3

B

C

В результате получаем число 3BC16. С помощью шестнадцатеричной системы счисления удобно записывать значения байт, так как восемь бит записываются двумя шестнадцатеричными цифрами. Например, число 111100012 будет записано как число F116.

      1. Перевод дробных чисел

Если при переводе конечной дроби в другую систему счисления получается конечная дробь, то такой перевод называется точным. Если при переводе получается бесконечная дробь, тогда перевод называется приближенным.

Перевод дробных чисел из n-й в десятичную систему счисления - вещественное число переводится из n-й в десятичную систему счисления с использованием формализованного представления числа.

Перевод дробных чисел с нулевой целой частью из десятичной в n-ую систему счисления - дробное число X, у которого целая часть равна 0, переводится из десятичной в n-ую систему счисления по следующему алгоритму:

1) умножить X на n;

2) получить цифру как целую часть числа X и приписать ее справа от имеющихся цифр;

3) обнулить целую часть числа X;

4) выполнять шаги 1-3, пока  0 (при точном переводе) или до получения нужного количества цифр в дробной части (при приближенном переводе с заданной точностью).

Пример. Перевести число 0,6875 в двоичную систему счисления.

Решение. Вновь схему перевода запишем в виде столбца.

На последнем шаге перевода получена единица. После обнуления целой части получим 0. Значит, перевод закончен. Результат перевода числа 0,6875 в двоичную систему счисления – число 0,10112.

Если бы нам было необходимо получить дробную часть с точностью до 3 знаков, то процесс перевода был бы остановлен после получения 3 цифр в дробной части. □

Перевод дробных чисел с ненулевой целой частью из десятичной в n-ую систему счисления - при переводе дробных чисел из десятичной в n-ую систему счисления отдельно переводятся целая и дробная части.

Десятичная система счисления может использоваться в качестве промежуточного этапа при переводе чисел из одной системы счисления в другую. Приведенные в этой главе правила позволяют перевести числа из одной системы счисления в десятичную, а из нее – в любую другую системы счисления.


    1. Логические основы ЭВМ

Принципы работы ЭВМ основываются на законах математической логики, поэтому ее элементы широко используются для поиска и обработки информации и при разработке схем электронных устройств.

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 других объектов. Например, понятие «звезда» объединяет множество светящихся газовых шаров. Это понятие трудно спутать с таким понятием как, например, «автомобиль». Объекты, соответствующие одному понятию, образуют множество.

Понятие имеет две характеристики:

1) содержание;

2) объем.

Содержание понятия – это совокупность существенных признаков, выделяющих объекты, соответствующие данному понятию, среди других объектов. Например, содержание понятия «человек» можно раскрыть так: «Общественное существо, обладающее сознанием и разумом».

Объем понятия «человек» определяется численностью людей, живущих в мире.

Высказывание (суждение, утверждение) – это повествовательное предложение, в котором утверждаются или отрицаются свойства реальных предметов и отношения между ними. Поэтому высказывание может быть истинным или ложным.

Истинным называется высказывание, в котором связь понятий правильно отражает свойства и отношения реальных вещей, например: «Москва – столица России». Истинность высказывания кодируется единицей (1) и имеет значение «истина».

Ложным высказывание будет в том случае, когда оно не соответствует реальной действительности, например: «Париж – столица США». Ложность высказывания кодируется нулем (0) и имеет значение «ложь».

Обычно высказывания обозначаются логическими переменными – заглавными латинскими буквами с индесом или без, например, A = «Сегодня идет дождь». Логические переменные принимают только два значения 0 и 1.

Умозаключение позволяет из известных фактов (истинных высказываний) получать новые факты. Например, из факта «Все углы треугольника равны» следует истинность высказывания «Этот треугольник равносторонний».

Высказывания и логические операции над ними образуют алгебру высказываний (булеву алгебру), предложенную английским математиком Джорджем Булем.

      1. 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 X, X).

Отрицание (NOT, читается «не X») – это высказывание, которое истинно, если X ложно, и ложно, если X истинно.

2. Конъюнкция XY (X&Y, XY).

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 (XY).

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

0

0

1

0

0

1

1

0

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

0

1

1

0

0


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. (6.0)

Коммутативность:

XY=YX. (6.0)

X+Y=Y+X. (6.0)

Ассоциативность:

(XY)Z=X(YZ). (6.0)

(X+Y)+Z=X+(Y+Z). (6.0)

Дистрибутивность:

X(Y+Z)=XY+XZ. (6.0)

X+YZ=(X+Y)(X+Z). (6.0)

Законы де Моргана:

. (6.0)

. (6.0)

Идемпотентность:

X+X=X. (6.0)

XX=X. (6.0)

Закон противоречия:

X=0. (6.0)

Закон «исключения третьего»:

X+=1. (6.0)

Свойства констант:

X1=X. (6.0)

X0=0. (6.0)

X+1=1. (6.0)

X+0=X. (6.0)

Элементарные поглощения:

X+XY=X. (6.0)

X+Y=X+Y. (6.0)

X(X+Y)=X. (6.0)

X(+Y)=XY. (6.0)

Преобразование стрелки Пирса:

XY=. (6.0)

Преобразование штриха Шеффера:

X | Y=. (6.0)

Порядок применения формул при преобразованиях - перечисленные формулы рекомендуется применять в следующем порядке:

1) преобразование стрелки Пирса ( 6 .0) и штриха Шеффера ;

2) законы де Моргана ( 6 .0)-( 6 .0);

3) формулы дистрибутивности ( 6 .0)-( 6 .0);

4) элементарные поглощения ( 6 .0)-( 6 .0).

Обычно формула приводится к ДНФ, а затем отдельные слагаемые поглощаются.

      1. Логические функции

Логическая функция (функция алгебры высказываний) f(X1X2, …, Xn) от n переменных – n-арная операция на множестве [0; 1]. В этой функции логические переменные X1X2, …, Xn представляют собой высказывания и принимают значения 0 или 1.

Существует различных логических функций от n переменных.

Логические операции, рассмотренные в предыдущем разделе, можно рассматривать как логические функции от двух переменных.

Набор функций, с помощью которого можно представить (выразить) все логические функции, называется функционально-полным или базисом. Основными базисами являются:

1) булевый базис, состоящий из конъюнкции, дизъюнкции и отрицания;

2) базис NOR, состоящий из стрелки Пирса;

3) базис NAND, включающий штрих Шеффера.Рассмотрим некоторые способы представления логических функций.

Аналитический. Функция задается в виде алгебраического выражения, состоящего из функций одного или нескольких базисов, применяемых к логическим переменным.

Табличный. Функция задается в виде таблицы истинности (соответствия), которая содержит 2n строк (по числу наборов аргументов), n столбцов по числу переменных и один столбец значений функции. В такой таблице каждому набору аргументов соответствует значение функции.

Числовой. Функция задается в виде десятичных (восьмеричных, шестнадцатеричных) эквивалентов номеров тех наборов аргументов, на которых функция принимает значение 1. Нумерация наборов начинается с нуля. Аналогичным образом логическая функция может быть задана по нулевым значениям.





    1. Классификация ЭВМ


      1. 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.





      1. По назначению

Универсальные, проблемно-ориентированные, специализированные.






      1. По этапам создания

Разделение ЭВМ на поколения условно, так как поколения сменялись постепенно, поэтому временные границы между поколениями размыты. Поколения ЭВМ разделяют в зависимости от физических элементов или технологии их изготовления, используемые при построении ЭВМ. При сравнении быстродействия ЭВМ под операцией понимают операцию над числами с плавающей точкой.


Поколения ЭВМ


Поколение

Элементная база процес-сора

Макс. емкость ОЗУ, байт

Макс. быстро-действие процес-сора, оп/с

Основные языки програм-мирования

Управление ЭВМ пользователем

Первое

1951-1954

электронные лампы

102

104

Машинный код

Пульт управления и перфокарты

Второе

1958-1960

транзисторы

103

106

Ассемблер

Перфокарты и перфоленты

Третье

1965-1968

ИС

104

107

Процедур-ные языки высокого уровня (ЯВУ)

Алфавитно-цифровой терминал

Четвертое

1976-1979

БИС

105

108

Процедур-ные ЯВУ

Монохромный или графический дисплей, клавиатура

Четвертое

с 1985

СБИС

107

109

Процедур-ные ЯВУ

Цветной графический дисплей, клавиатура, «мышь» и др.

Пятое

усовершенст-вованные СБИС

108

1012

Языки логического программи-рования

Цветной графический дисплей и устройства голосовой связи


Первое поколение ЭВМ (1951-1954) строилось на электронных лампах, которые могли быстро переключаться из одного состояния в другое. Лампы имели большие размеры, поэтому ЭВМ первого поколения, состоящие из десятков тысяч ламп, занимали целые этажи и были энергоемки. Программы записывались в ЭВМ с помощью установки перемычек на особом машинном коде.

Второе поколение ЭВМ (1958-1960) строилось на транзисторах – полупроводниковых приборах, которые могли находиться в одном из двух состояний. По сравнению с лампами транзисторы имели малые размеры и потребляемую мощность. Увеличение производительности обеспечивалось за счет более высокой скорости переключения и использованием обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требующаяся для размещения ЭВМ, уменьшилась до нескольких квадратных метров. Программы записывались на перфокарты – картонные карточки, на которых были выбиты или не выбиты дырочки, кодирующие 0 и 1. Программирование осуществлялось на языке Ассемблер, команды которого затем переводились в машинный код.

Третье поколение ЭВМ (1965-1968) строилось на интегральных схемах (ИС). ИС представляет собой электрическую цепь определенного функционального назначения, которая размещается на кремниевой основе. ИС содержит сотни и тысячи транзисторных элементов, что позволило уменьшить размеры, потребляемую мощность, стоимость и увеличить надежность системы. Помимо Ассемблера, программирование осуществлялось на языках высокого уровня (ЯВУ), имевших большое количество операторов. Каждый оператор объединял несколько команд языка Ассемблер.

Четвертое поколение ЭВМ (1976-по сегодняшний день) строилось на больших интегральных схемах (БИС). БИС содержат не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы. Примером БИС является микропроцессор. БИС способствовали появлению персональных компьютеров. Увеличение количества транзисторов до миллионов привело к появлению сверхбольших ИС (СБИС).

Пятое поколение ЭВМ существует в теории. Основное требование к ЭВМ – машина должна сама по поставленной цели составить план действий и выполнить его. Такой способ решения задачи называется логическим программированием. Элементная база процессора – СБИС с использованием опто- и криоэлектроники. Оптоэлектроника – раздел электроники, связанный с эффектами взаимодействия оптического излучения с электронами в веществах (главным образом в твердых телах) и использованием этих эффектов для генерации, передачи, хранения, обработки и отображения информации. Криоэлектроника (криогенная электроника) – область науки и техники, занимающаяся применением явлений, имеющих место в твердых телах при температуре ниже 120 К (криогенных температурах) в присутствии электрических, магнитных или электромагнитных полей (явление сверхпроводимости), для создания электронных приборов и устройств.

  1. Лекция 2


    1. 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.

    1. Микропроцессор

Микропроцессор (МП; CPUCentral Processing Unit (центральный обрабатывающий модуль)) – центральный блок ЭВМ, управляющий работой всех компонент ЭВМ и выполняющий операции над информацией. Операции производятся в регистрах, составляющих микропроцессорную память.

Основные функции МП:

- выполнение команд программы, расположенной в ОЗУ; команда состоит из кода, определяющего, что эта команда делает, и операндов, над которыми эта команда осуществляется;

- управление пересылкой информации между микропроцессорной памятью, ОЗУ и периферийными устройствами;

- обработка прерываний;

- управление компонентами ЭВМ.

Микропроцессор (Error: Reference source not found) состоит из следующих блоков:

АЛУ – арифметико-логическое устройство;

ДБ – другие блоки (математический сопроцессор, модуль предсказания ветвлений);

ДК – дешифратор команд;

ИМП – интерфейс микропроцессора;

Кэш L1 – кэш-память первого уровня;

Кэш L2 – кэш-память второго уровня;

МПП – микропроцессорная память;

РОН – регистры общего назначения;

РС – регистры смещений;

РФ – регистр флагов;

СР – сегментные регистры;

УС – устройство синхронизации;

УУ – устройство управления.

Рассмотрим назначение этих блоков МП.

Устройство управления (УУ) выполняет команды, поступающие в МП в следующей последовательности:

1) выборка из регистра-счетчика адреса ячейки ОЗУ, где хранится очередная команда программы;


Структура микропроцессора


2) выборка из ячеек ОЗУ кода очередной команды и приема считанной команды в регистр команд;

3) расшифровка кода команды дешифратором команды (ДК);

4) формирование полных адресов операндов;

5) выборка операндов из ОЗУ или МПП и выполнение заданной команды обработки этих операндов;

6) запись результатов команды в память;

7) формирование адреса следующей команды программы.

Для ускорения работы перечисленные действия выполняются параллельно: один блок выбирает команду, второй дешифрует, третий выполняет и т. д., образуя конвейер команд.

Команды, поступающие в УУ, временно хранятся в кэш-памяти первого уровня, освобождая шину для выполнения других операций. Размер кэш-памяти первого уровня 8-32 Кбайт.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические (сложение, вычитание, умножение, деление) и логические (конъюнкция, дизъюнкция и др.) операции над целыми двоичными числами и символьной информацией.

Устройство синхронизации (УС) определяет дискретные интервалы времени – такты работы МП между выборками очередной команды. Частота, с которой осуществляется выборка команд, называется тактовой частотой.

Интерфейс МП (ИМП) предназначен для связи и согласования МП с системной шиной ЭВМ. Принятые команды и данные временно помещаются в кэш-память второго уровня. Размер кэш-памяти второго уровня – 256-2048 Кбайт. Ранее кэш-память второго уровня размещалась на материнской плате.

Микропроцессорная память (МПП) включает 14 основных двухбайтовых запоминающих регистров и множество (до 256) дополнительных регистров. Регистры – это быстродействующие ячейки памяти различного размера. Основные регистры можно разделить на 4 группы.

1. Регистры общего назначения (РОН, универсальные регистры): AX, BX, CX, DX. Можно работать с регистром целиком или отдельно с каждой его половинкой: регистром старшего (high) байта – AH, BH, и регистром младшего (low) байта – AL, BL, CL, DL. Например, структура регистра AX имеет вид

Структура регистра AX

Универсальные регистры имеют свое предназначение:

АХ – регистр-аккумулятор, с его помощью осуществляется ввод-вывод данных в МП, а при выполнении операций умножения и деления АХ используется для хранения первого числа, участвующего в операции (множимого, делимого) и результата операций (произведения, частного) после ее завершения;

ВХ часто используется для хранения адреса базы в сегменте данных и начального адреса поля памяти при работе с массивами;

СХ – регистр-счетчик, используется как счетчик числа повторений при циклических операциях;

DX – используется как расширение регистра-аккумулятора при работе с 32-разрядными числами и при выполнении операции умножения и деления.

2. Сегментные регистры (СР) используются для хранения начальных адресов полей памяти (сегментов), отведенных в программах для хранения команд кода (регистр CS), данных (DS), стека (SS), дополнительной области памяти данных при обмене между сегментами (ES).

3. Регистры смещений (РС) IP, SP, ВР, SI, DI предназначены для хранения относительных адресов ячеек памяти внутри сегментов (смещений относительно начала сегментов).

4. Регистр флагов (РФ) FL содержит одноразрядные флаги, управляющие выполнением программы в ЭВМ. Флаги принимают значения 0 или 1. Значения флагов устанавливаются независимо друг от друга. Всего в регистре 9 флагов: 6 – статусные, отражающие результаты операций (флаги переноса, нуля, переполнения и др.); 3 – управляющие, определяющие режим выполнения программы (флаги пошагового выполнения программы, прерываний и направления обработки данных).

МПП – это память с самым меньшим временем доступа в ЭВМ.

Другие блоки (ДБ) – это блоки, ускоряющие работу МП. АЛУ производит действия только над двоичными целыми числами. Операции над числами с плавающей точкой выполняет математический сопроцессор, освобождая МП от выполнения этих операций. Блок предсказания ветвлений программы просматривает программу на несколько шагов вперед, чтобы определить дальнейшее направление выполнения программы. Вероятность предсказания 80-90%.

Работа МП состоит в выборке очередной команды и ее выполнения. В некоторых случаях выполнение программы необходимо прервать, например, в случае ошибки вычисления. Такие случаи называются прерываниями. Выделяют два типа прерываний:

1) внутри процессорные прерывания, возникающие из-за непреодолимого препятствия в выполнении программы, например, запись данных в запрещенную для записи область ОЗУ или переполнение результата при вычислениях;

2) прерывания от внешних устройств не являются фатальными или ошибочными; прерывания второго типа возникают, когда требует обмен данными с внешним устройством, например, приводом компакт-дисков, а он не готов.

Основными параметрами МП являются тактовая частота, разрядность и рабочее напряжение.

Тактовая частота определяет количество элементарных операций (тактов), выполняемых МП за единицу времени. Тактовая частота современных МП измеряется в ГГц (1 Гц соответствует выполнению одной операции за одну секунду, 1 ГГц = 109 Гц). Чем больше тактовая частота, тем больше команд может выполнить МП, и тем больше его производительность. Первые МП, использовавшиеся в персональных компьютерах, работали на частоте 4,77 МГц (1 МГц = 106 Гц). В настоящее время рабочие частоты современных МП превосходят 2 ГГц (2011 г.).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных МП может принять и обработать в своих регистрах за один такт. Разрядность процессора определяется разрядностью внутренней шины, то есть количеством проводников в шине, по которым передаются команды. Современные МП семейства Intel имеют 64 разряда.

Рабочее напряжение процессора обеспечивается материнской платой, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Рабочее напряжение процессоров не превышает 3 В. Снижение рабочего напряжения позволяет уменьшить размеры МП, а также уменьшить тепловыделение в МП, что повышает его производительность без угрозы перегрева.

МП все время с момента включения до момента выключения выполняет команды. Если поток команд заканчивается, например, в случае простоя ЭВМ, то МП выполняет пустую команду NOP.


    1. Системная шина

В основе устройства ЭВМ лежит системная шина, которая служит для обмена командами и данными между компонентами ЭВМ, расположенными на материнской плате. ПУ подключаются к шине через контроллеры. Такая архитектура ЭВМ называется открытой, так как легко может быть расширена за счет подключения новых устройств. Передача информации по системной шине также осуществляется по тактам.

Системная шина включает в себя:

- кодовую шину данных для параллельной передачи всех разрядов числового кода (машинного слова) операнда из ОЗУ в МПП и обратно; имеет 64 разряда;

- кодовую шину адреса для параллельной передачи всех разрядов адреса ячейки ОЗУ; имеет 32 разряда;

- кодовую шину инструкций для передачи команд (управляющих сигналов, импульсов) во все блоки ЭВМ; простые команды кодируются одним байтом, но есть и команды, кодируемые двумя, тремя и более байтами; имеет 32 разряда;

- шину питания для подключения блоков ЭВМ к системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

1) между МП и ОЗУ;

2) между МП и контроллерами устройств;

3) между ОЗУ и внешними устройствами (ВЗУ и ПУ, в режиме прямого доступа к памяти).

Все устройства подключаются к системной шине через контроллеры – устройства, которые обеспечивают взаимодействие внешних устройств и системной шины.

Чтобы освободить МП от управления обменом информацией между ОЗУ и внешними устройствами, например при чтении или записи информации, предусмотрен режим прямого доступа в память (DMADirect Memory Access). Таким образом, МП может заниматься выполнением других команд, не отвлекаясь на копирование информации между ОЗУ и внешними устройствами.

Характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и ее пропускная способность, то есть максимально возможная скорость передачи информации. Пропускная способность шины зависит от следующих параметров:

- разрядность или ширина шины – количество бит, которое может быть передано по шине одновременно (существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные шины);

- тактовая частота шины – частота, с которой передаются биты информации по шине.

Наиболее распространенные шины.

PCI (Peripheral Component Interconnect) – самая распространенная системная шина. Быстродействие шины не зависит от количества подсоединенных устройств. Поддерживает следующие режимы:

Plug and Play (PnP) – автоматическое определение и настройка подключенного к шине устройства;

Bus Mastering – режим единоличного управления шиной любым устройством, подключенным к шине, что позволяет быстро передать данные по шине и освободить ее.

AGP (Accelerated Graphics Port) – магистраль между видеокартой и ОЗУ. Разработана, так как параметры шины PCI не отвечают требованиям видеоадаптеров по быстродействию. Шина работает на большей частоте, что позволяет ускорить работу графической подсистемы ЭВМ.

Основные характеристики шин


Характеристика

PCI

AGP

Разрядность шины данных/адреса, бит

32/32

32/32

Рабочая частота, МГц

66

133

Пропускная способность, Мбит/с

264

2112

Число подключаемых устройств, шт.

10

1

    1. Постоянное и оперативное ЗУ

Запоминающие устройства, используемые в ЭВМ, состоят из последовательности ячеек. Каждая ячейка содержит значение одного байта и имеет собственный номер (адрес), по которому происходит обращение к ее содержимому. Все данные в ЭВМ хранятся в двоичном виде нулей и единиц.

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 из нее извлекаются данные.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; RAMRandom Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и чтения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ЭВМ в текущий период времени. После выключения питания ЭВМ, информация в ОЗУ уничтожается, поэтому она не подходит для долговременного хранения информации. Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, выраженный числом. В ЭВМ на базе процессоров Intel Pentium используется 32-разрядная адресация. Это означает, что число независимых адресов равно 232, то есть возможное адресное пространство составляет 4,3 Гбайт. Объем ОЗУ превышает 4096 Мбайт (2011 г.), время доступа 0,005-0,02 мкс. 1 с = 106 мкс.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; ROMRead Only Memory) хранит неизменяемую (постоянную) информацию: программы, выполняемые во время загрузки системы, и постоянные параметры ЭВМ. В момент включения ЭВМ в его ОЗУ отсутствуют данные, так как ОЗУ не сохраняет данные после выключения ЭВМ. Но МП необходимы команды, в том числе и сразу после включения. Поэтому МП обращается по специальному стартовому адресу, который ему всегда известен, за своей первой командой. Этот адрес из ПЗУ. Основное назначение программ из ПЗУ состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жесткими и гибкими дисками. Обычно изменить информацию ПЗУ нельзя. Объем ПЗУ 128-256 Кбайт, время доступа 0,035-0,1 мкс. Так как объем ПЗУ небольшой, но время доступа больше, чем у ОЗУ, при запуске все содержимое ПЗУ считывается в специально выделенную область ОЗУ.

Кроме ПЗУ существует энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal-Oxide Semiconductor RAM), в которой хранятся данные об аппаратной конфигурации ЭВМ: о подключенных к ЭВМ устройствах и их параметры, параметры загрузки, пароль на вход в систему, текущее время и дата. Питание памяти CMOS RAM осуществляется от батарейки. Если заряд батарейки заканчивается, то настройки, хранящиеся в памяти CMOS RAM, сбрасываются, и ЭВМ использует настройки по умолчанию.

ПЗУ и память CMOS RAM составляют базовую систему ввода-вывода (BIOSBasic Input-Output System).

  1. Лекция 3

    1. Внешние ЗУ

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) предназначены для долговременного хранения и транспортировки информации. ВЗУ взаимодействуют с системной шиной через контроллеры внешних запоминающих устройств (КВЗУ). КВЗУ обеспечивают интерфейс ВЗУ и системной шины в режиме прямого доступа к памяти, то есть без участия МП. Интерфейс – это совокупность связей с унифицированными сигналами и аппаратуры, предназначенной для обмена данными между устройствами вычислительной системы.

ВЗУ можно разделить по критерию транспортировки на переносные и стационарные. Переносные ВЗУ состоят из носителя, подключаемого к порту ввода-вывода (обычно USB), (флэш-память) или носителя и привода (накопители на гибких магнитных дисках, приводы CD и DVD). В стационарных ВЗУ носитель и привод объединены в единое устройство (накопитель на жестких магнитных дисках). Стационарные ВЗУ предназначены для хранения информации внутри ЭВМ.

Перед первым использованием или в случае сбоев ВЗУ необходимо отформатировать – записать на носитель служебную информацию, необходимую в дальнейшем при операциях чтения-записи с носителя.

Рассмотрим три типа ВЗУ, разделенные по критерию физической основы или технологии производства носителя: 1) магнитные носители; 2) оптические носители; 3) флэш-память.

      1. Магнитные носители

Магнитные носители основаны на свойстве материалов находиться в двух состояниях: «не намагничено»-«намагничено», кодирующие 0 и 1. По поверхности носителя перемещается головка, которая может считывать состояние или изменять его. Запись данных на магнитный носитель осуществляется следующим образом. При изменении силы тока, проходящего через головку, происходит изменение напряженности динамического магнитного поля на поверхности магнитного носителя, и состояние ячейки меняется с «не намагничено» на «намагничено» или наоборот. Операция считывания происходит в обратном порядке. Намагниченные частички ферро магнитного покрытия являются причиной появления электрического тока. Электромагнитные сигналы, которые возникают при этом, усиливаются и анализируются, и делается вывод о значении 0 или 1.

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 магнитным покрытием, нанизанные на шпиндель, в герметичном металлическом корпусе. При вращении диска происходит быстрый доступ головки к любой части диска.

В НЖМД может быть до десяти дисков. Их поверхность размечается дорожками (track). Каждая дорожка имеет свой номер. Дорожки с одинаковыми номерами, расположенные одна над другой на разных дисках образуют цилиндр. Дорожки на диске разбиты на секторы (нумерация начинается с единицы). Сектор занимает 571 байт. Из них 512 байт отведено для записи данных. Оставшиеся 59 байт отведены под заголовок (префикс), определяющий начало и номер сектора и окончание (суффикс), где записана контрольная сумма, необходимая для проверки целостности хранимых данных. Секторы и дорожки формируются во время форматирования диска. Разметка секторов зависит от типа диска. Жесткие диски устанавливаются в системном блоке и являются основным ВЗУ ЭВМ. Объем жестких дисков превышает 1 Тбайт (2011 г.), а время доступа – 0,005-0,03 с.

2. Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД; FDDFloppy Disk Drive) предназначены для записи информации на переносные носители – дискеты. Дискета представляет собой гибкий диск с магнитным покрытием, помещенный в жесткий корпус со шторкой, открываемой для доступа головки к диску, и прорезью для защиты от записи. Как и в случае жесткого диска, поверхность гибкого диска разбивается на дорожки, которые в свою очередь разбиваются на секторы. Секторы и дорожки формируются во время форматирования дискеты. Дискеты могут быть двух размеров 5,25 дюймов (133 мм; является устаревшим) и 3,5 дюймов (89 мм). Для каждого типа дискеты нужен свой НГМД. Объем дискет – до 1,44 Мбайт, время доступа – 0,065-0,1 с. В настоящее время НГМД вытеснены флэш-памятью.

3. Дисковые массивы RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks – массив недорогих дисков с избыточностью) используются для хранения данных в суперкомпьютерах (мощных ЭВМ предназначенных для решения крупных вычислительных задач) и серверах (подключенных к сети ЭВМ, предоставляющих доступ к хранящимся в них данным). Массивы RAID – это несколько запоминающих устройств на жестких дисках, объединенные в один большой накопитель, обслуживаемый специальным RAID-контроллером. Одна и та же информация хранится на различных жестких дисках и при потере информации на одном жестком диске восстанавливает ее с другого жесткого диска. RAID-массивы поддерживают технологию Plug and Play, то есть замену одного из дисков без остановки всего массива.

      1. Оптические носители

Оптические носители представляют собой компакт-диски диаметром 12 см (4,72 дюйма) или мини-диски диаметром 8 см (3,15 дюйма). Оптические носители состоят из трех слоев:

1) поликарбонатная основа (внешняя сторона диска);

2) активный (регистрирующий) слой пластика с изменяемой фазой состояния;

3) тончайший отражающий слой (внутренняя сторона диска).

В центре компакт-диска находится круглое отверстие, надеваемое на шпиндель привода компакт-дисков.

Запись и считывание информации на компакт-диск осуществляется головкой, которая может испускать лазерный луч. Физический контакт между головкой и поверхностью диска отсутствует, что увеличивает срок службы компакт-диска. Фаза второго пластикового слоя, кристаллическая или аморфная, изменяется в зависимости от скорости остывания после разогрева поверхности лазерным лучом в процессе записи, выполняемой в приводе. При медленном остывании пластик переходит в кристаллическое состояние и информация стирается (записывается «0»); при быстром остывании (если разогрета только микроскопическая точка) элемент пластика переходит в аморфное состояние (записывается «1»). Ввиду разницы коэффициентов отражения от кристаллических и аморфных микроскопических точек активного слоя при считывании происходит модуляция интенсивности отраженного луча, воспринимаемого головкой чтения. Поверхность диска разбита на три области. Начальная область (Lead-In) расположена в центре диска и считывается первой. В ней записано содержимое диска, таблица адресов всех записей, метка диска и другая служебная информация. Средняя область содержит основную информацию и занимает большую часть диска. Конечная область (Lead-Out) содержит метку конца диска.

Информация на компакт-диске кодируется с большой избыточностью корректирующим кодом Рида-Соломона, обеспечивающего восстановление исходной информации при невозможности ее считывания с диска.

Компакт-диск выдерживает несколько сотен циклов перезаписи. Считывание информации осуществляется при вращении компакт-диска с частотой более 10 000 оборотов/мин.

В зависимости от возможности чтения/записи все компакт-диски можно разделить на три типа:

1) ROM (Read Only Memory) – только для чтения; запись невозможна;

2) (Recordable) – для однократной записи и многократного чтения; диск может быть однажды записан; записанную информацию изменить нельзя и она доступна только для чтения;

3) RW (ReWritable) – для многократной записи и чтения; информация на диске может быть многократно перезаписана.

Эти типы дисков отличаются материалом, из которого изготовлен второй пластиковый слой.

Рассмотрим виды компакт-дисков CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc – цифровой универсальный (многосторонний) диск) и Blu-Ray, имеющие одинаковый размер 4,72 дюйма.

Объем CD равен 650 или 700 Мбайт. Музыкальные диски относятся к CD и предназначены только для чтения с них музыки. Время доступа к CD – 0,05-0,3 с.

Формат DVD являются развитием CD, их объем составляет 4,7 Гбайт за счет более плотной записи. DVD продолжают совершенствоваться. Существует несколько конкурирующих форматов DVD: DVD-, DVD+ и DVD-RAM.

Формат Blu-Ray является дальнейшим развитием DVD и позволяет записывать 25 Гбайт информации на один слой.

Названия форматов CD и DVD в зависимости от возможности чтения/записи представлены в таблице.


Типы
компакт-дисков

CD

DVD

ROM

CD-ROM

DVD-ROM

R

CD-R

DVD-R, DVD+R

RW

CD-RW

DVD-RW, DVD+RW, DVD-RAM


Дисковод для оптических носителей состоит из следующих частей:

- электродвигатель, который вращает диск;

- оптическая система, состоящая из лазерного излучателя, оптических линз и датчиков и предназначенная для считывания информации с поверхности диска;

- микропроцессор, который руководит механикой привода, оптической системой и декодирует прочитанную информацию в двоичный код.

Компакт-диск раскручивается электродвигателем. На поверхность диска с помощью привода оптической системы фокусируется луч из лазерного излучателя. Луч отражается от поверхности диска и сквозь призму подается на датчик. Световой поток превращается в электрический сигнал, который поступает в микропроцессор, где он анализируется и превращается в двоичный код.

Для приводов оптических дисков указывается максимальная скорость чтения и записи для различных форматов дисков CD и DVD, кратная однократной скорости для CD – 150 Кбайт/с и для DVD – 1350 Кбайт/с. Например, скорость чтения 8x для CD означает, что данные считываются со скоростью 1200 Кбайт/с. Максимальная скорость чтения с дисков Blu-Ray работы составляет 12x (54 Мбайт/с).

Оптические носители могут храниться до 100 лет, но они восприимчивы к царапинам, колебаниям температуры и механическим повреждениям. Следует соблюдать следующие правила при работе с оптическими носителями:

- не класть диски отражающим слоем на стол или другие поверхности;

- хранить диски в коробках, а коробки в вертикальном положении;

- для длительного хранения информации выбирать диски однократной записи (-R), а не многократной (-RW);

- подписывать диск только на внешней стороне диска;

- не наклеивать наклейки и не использовать деформированные диски, так как это может привести к разбалансировке диска;

- не подвергать диск воздействию прямых солнечных лучей.

      1. 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.


    1. Видеоподсистема ЭВМ

      1. Видеокарта

Видеоподсистема ЭВМ включает два устройства:

1) монитор (дисплей), отображающий на своем экране текстовую и графическую информацию пользователю;

2) видеокарта (ВК; видеоконтроллер, видеоадаптер), обеспечивающая формирование изображения, его хранение, обновление и преобразование в сигнал, отображаемый монитором.

Видеокарта представляет собой плату, устанавливаемую в специальный слот на материнской плате или интегрированную в материнскую плату. Видеокарта содержит следующие элементы:

- графический процессор, обрабатывающий изображение и преобразующий его в сигнал для монитора;

- видеопамять, хранящую воспроизводимую на экране информацию; объем видеопамяти превышает 1 Гбайт (2011 г.);

- цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), преобразующий цифровую информацию об изображении в аналоговый сигнал; характеристиками ЦАП являются частота преобразования и разрядность, определяющая количество цветов, поддерживаемых видеокартой;

- видеоакселераторы; различают два типа видеоакселераторов: для плоской (2D) и трехмерной (3D) графики; первые эффективны для работы с прикладными программами общего назначения, вторые ориентированы на работу с разными мультимедийными и развлекательными программами; видеоакселераторы позволяют производить математические вычисления для построения трехмерных сцен на двухмерном экране без участия МП.

      1. Монитор

Основными характеристиками мониторов являются размер экрана, разрешение, размер зерна и частота развертки монитора.

Размер экрана монитора задается величиной его диагонали в дюймах. Приняты следующие типоразмеры экранов 12, 14, 15, 17, 19, 21 и 22 дюйма. 1 дюйм = 2,54 см. Чем больше размер экрана монитора, тем удобнее работать с ним.

Разрешение монитора измеряется в пикселях. Пиксель – это точка на экране монитора. Количество точек по горизонтали и вертикали составляют разрешение монитора. Приняты стандартные разрешения мониторов, некоторые из которых имеют названия (таблица).

Обычно соотношение количества пикселей по горизонтали и вертикали составляет 4:3 (стандартные) или 16:9 (широкоэкранные). Бóльшее разрешение делает картинку на экране более четкой.

Размер зерна (шаг точки) определяет расстояние между двумя соседними пикселями. Чем меньше размер зерна, тем выше четкость и тем меньше устает глаз. Величина зерна современных мониторов имеет значения от 0,25 до 0,28 мм.

Частота развертки монитора (частота регенерации) определяется количеством обновлений изображений на экране монитора в единицу времени и измеряется в герцах. Чем больше частота, тем меньше усталость глаз и больше времени можно работать непрерывно. Маленькая частота приводит к появлению мерцания. Современные мониторы обеспечивают частоту развертки монитора 70-80 Гц.


Типичные разрешения мониторов


Разрешение

Количество

пикселей

Название

Соотношение сторон

640  480

307 200

VGA

4:3

800  600

480 000

SVGA

4:3

1024  768

786 432

XGA

4:3

1280  800

1 024 000


8:5

1280  1024

1 310 720

SXGA

4:3

1360  768

1 044 480

HD Ready

16:9

1600  1200

1 920 000


4:3

1920  1080

2 073 600

Full HD

16:9

1920  1200

2 304 000


8:5

2560  1440

3 686 400


16:9


Рассмотрим три типа мониторов:

1) на основе электронно-лучевой трубки;

2) жидкокристаллические;

3) плазменные.

Первый тип мониторов является аналоговым, а остальные – цифровыми. Ко всем этим типам мониторов применимы перечисленные в предыдущем разделе характеристики.

Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ; CRTCathode Ray Tube, катодно-лучевая трубка) представляет собой запаянную вакуумную стеклянную колбу, дно (экран) которой покрыто слоем люминофора, а в горловине установлена электронная пушка, испускающая поток электронов. С помощью формирующей и отклоняющей систем поток электронов направляется на нужное место экрана. Энергия, выделяемая попадающими на люминофор электронами, заставляет его светиться. Светящиеся точки люминофора формируют изображение, воспринимаемое визуально.

ЭЛТ-мониторы бывают монохромными или цветными. В цветном ЭЛТ-мониторе используются три электронные пушки, в отличие от одной пушки, применяемой в монохромных мониторах. Каждая пушка отвечает за один из трех основных цветов: красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), путем смешивания которых создаются все остальные цвета и цветовые оттенки. Поэтому цветные мониторы называют RGB-мониторами, по первым буквам основных цветов. Недостатком ЭЛТ-мониторов является высокое потребление электроэнергии и вредное для здоровья человека излучение.

Для жидкокристаллических и плазменных мониторов вводятся еще две характеристики: время отклика и контрастность. Время отклика – это минимальный временной промежуток, в течение которого пиксель может полностью поменять свой цвет – от черного к белому и обратно (составляет 6-8 мс). Контрастность – это отношение яркости самого светлого и самого темного пикселя (составляет 30 000:1).

В жидкокристаллических мониторах (ЖК-мониторы; LCDLiquid Crystal Display, жидкокристаллический монитор) используется специальная прозрачная жидкость, которая при определенных напряженностях электростатического поля кристаллизуется, при этом изменяются ее прозрачность, коэффициенты поляризации и преломления световых лучей. Эти эффекты и используются для формирования изображения. Конструктивно такой монитор выполнен в виде двух электропроводящих стеклянных пластин (подложка), между которыми помещается тончайший слой кристаллизующейся жидкости. Каждый элемент экрана управляется собственным транзистором, поэтому ЖК-мониторы также называют TFT-мониторами (TFTThin Film Transistor, тонкопленочный транзистор). В цветных мониторах каждый элемент изображения состоит из трех отдельных пикселей (R, G и В), покрытых тонкими светофильтрами соответствующих цветов. Поскольку ячейки сами не светятся ЖК-монитору требуется задняя подсветка. Недостатками ЖК-мониторов являются ограниченность угла обзора (качество изображения зависит от того, под каким углом вы смотрите), некачественная цветопередача, продолжительное время отклика, неравномерная подсветка.

В плазменных мониторах (PDPPlasma Display Panel) изображение формируется сопровождаемыми излучением света газовыми разрядами в пикселях панели. Конструктивно панель состоит из трех стеклянных пластин, на две из которых нанесены тонкие прозрачные проводники: на одну пластину – горизонтально, на другую – вертикально. Между ними находится третья пластина, в которой в местах пересечения проводников двух первых пластин имеются сквозные отверстия – пиксели. Эти отверстия при сборке панели заполняются инертным газом: неоном или аргоном. При подаче высокочастотного напряжения на один из вертикально и один из горизонтально расположенных проводников в отверстии, находящемся на их пересечении, возникает газовый разряд. Чем больше напряжение, тем ярче светится газ. Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовой части спектра, который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне, видимом человеком. Фактически, каждый пиксель на экране работает, как обычная флуоресцентная лампа (лампа дневного света). Недостатками плазменных мониторов являются высокое энергопотребление и низкая разрешающая способность.

    1. Контроллеры портов ввода-вывода

Контроллер порта ввода-вывода (КПВВ) обеспечивает интерфейс между периферийным устройством, подключенным к порту КПВВ, и системной шиной.

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 16 бит);

- последовательные, в которых за один такт проходит один бит.

Наиболее распространенные порты ввода-вывода.

RS-232 (COM) – интерфейс обмена данными по последовательному коммуникационному порту (СОМ-порту). С помощью данного интерфейса осуществляется работа и подключение таких устройств, как внешний модем, мышь и т. д.

IEEE 1284 (Instute of Electrical and Electronic Engineers 1284; LPT) – стандарт, описывающий спецификации параллельных скоростных интерфейсов SPP (Standard Parallel Port – стандартный параллельный порт), EPP (Enhanced Parallel Port – улучшенный параллельный порт), ECPxtended Capabilities Port – порт с расширенными возможностями). Параллельный порт IEEE 1284 (LPT-порт) используется для принтеров, внешних запоминающих устройств, сканеров.

USB (Universal Serial Bus – универсальная последовательная шина) – универсальный последовательный интерфейс, пришедший на смену устаревшим портам RS-232 и IEEE 1284. Поддерживает технологию Plug and Play с возможностью «горячей» замены, то есть замены устройств без необходимости выключения или перезагрузки компьютера. Для адекватной работы интерфейса необходима операционная система, которая корректно с ним работает. Поддержка USB введена в Microsoft Windows 2000. К портам USB можно подключить до 127 устройств. Каждое устройство, подключенное непосредственно к порту, может работать в качестве разветвителя, то есть можно подключать к нему другие устройства. Скорость передачи через порт – 480 Мбит/с. Кроме данных, через порт подается электропитание. В настоящее время большинство ПУ подключаются через порт USB.

PS/2 (Personal System – персональная система) – последовательный порт, разработанный фирмой IBM в середине 1980-х для своей серии персональных компьютеров IBM PS/2. В отличие от порта RS-232 порт PS/2 имеет более компактный разъем. Через порт подается также электропитание. В настоящее время используется вместе с портом USB.

IEEE 1394 (FireWire, iLink) – последовательный интерфейс, использующийся для подключения цифровых видеоустройств (видеокамер). Через порт возможна передача видеоизображения со скоростью 100-400 Мбит/с. Поддерживает технологию Plug and Play.

PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association; PC Card) – порт, используемый в переносных компьютерах для подключения новых устройств к нему без вскрытия корпуса компьютера. Порт имеет разрядность данных/адреса – 16/26 бит, поддерживает автоконфигурирование, возможно подключение и отключение устройств в процессе работы компьютера. Существует много ПУ, разработанных для переносных компьютеров и использующих порт PCMCIA.


    1. Периферийные устройства

      1. Клавиатура

Клавиатура – это стандартное клавишное устройство ввода, предназначенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления. Клавиатуры имеют по 101-104 клавиши, размещенные по стандарту QWERTY (в верхнем левом углу алфавитной части клавиатуры находятся клавиши Q, W, E, R, T, Y).

Набор клавиш клавиатуры разбит на несколько функциональных групп:

- алфавитно-цифровые клавиши (буквы и цифры) предназначены для ввода знаковой информации и команд, которые набираются посимвольно;

- функциональные клавиши (F1-F12); функции клавиш зависят от конкретной, работающей в данный момент времени программы;

- клавиши управления курсором подают команды на передвижение курсора по экрану монитора относительно текущего изображения (стрелки, а также клавиши PAGE UP, PAGE DOWN, HOME, END); курсор – экранный элемент, указывающий на место ввода знаковой информации;

- служебные клавиши используются для разных вспомогательных целей, таких как, изменение регистра, режимов вставки, образование сочетаний «горячих» клавиш и т. д. (SHIFT, CAPS LOCK, ENTER, CTRL, ALT, ESC, DEL, INSERT, TAB, BACKSPACE);

- клавиши дополнительной панели дублируют действие цифровых клавиш, клавиш управления курсором и некоторых служебных клавиш.

Клавиатура подсоединяется к системной шине через специальный контроллер, содержащий буфер ввода, где хранятся введенные символы до тех пор, пока они не будут затребованы.

Клавиатура имеет свойство повторения знаков, используемое для автоматизации процесса ввода. Оно состоит в том, что при продолжительном нажатии клавиши начинается автоматический ввод символа, связанного с этой клавишей.

      1. Манипулятор типа «мышь»

«Мышь» предназначена для быстрого доступа к элементам интерфейса пользователя и инициирования на них событий с помощью кнопок. Обычно «мышь» имеет 2-3 кнопки.

Принцип работы «мыши» заключается в отслеживании перемещения корпуса «мыши» по поверхности и синхронизации перемещения по экрану монитора курсора.

Существует два типа «мышей». Внутри шариковых мышей находится шарик, вращающий два валика. Вращение валиков позволяет отследить перемещение «мыши». В основе оптических «мышей» лежит светодиод, посылающий световой сигнал и считывающий его отражение. При перемещении «мыши» посланный луч отражается под другим углом, что позволяет выявить направление движения «мыши».

Все перемещения «мыши» и нажатия ее клавиш (клики) рассматриваются как события, анализируя которые устанавливается, состоялось ли событие и в каком месте экрана в этот момент находится курсор «мыши».

Основной характеристикой «мыши» является разрешающая способность – насколько точно можно отследить самое мельчайшее перемещение «мыши». Измеряется в точках (dot) на дюйм (dpidots per inch).

Клавиатура и «мышь» подсоединяются к портам PS/2 или USB.

      1. Принтеры

Печатающие устройства (принтеры) – это устройства вывода данных из ЭВМ и фиксирующие их на бумаге. Основными характеристиками принтеров являются разрешающая способность, скорость печати, объем установленной памяти и максимальный поддерживаемый формат бумаги.

Разрешающая способность или разрешение печати измеряется числом элементарных точек (dot), которые размещаются на одном дюйме (dpi). Например, разрешение 1440 dpi означает, что на длине одного дюйма бумаги размещается 1440 точек. Запись 720  360 dpi означает разрешение печати по горизонтали и вертикали соответственно. Чем больше разрешение, тем точнее воспроизводятся детали изображения, но при этом возрастает время печати.

Единицей измерения скорости печати информации служит число печатаемых страниц формата A4 (210  297 мм) в минуту (ppmpages per minute).

Данные с ЭВМ хранятся во встроенной памяти принтера. Далее принтер уже самостоятельно печатает файл без участия ЭВМ. Такая печать называется фоновой. Если данные для печати полностью не помещаются в память принтера, ЭВМ ждет, пока принтер распечатает данные и освободит память, и вновь загружает следующий блок данных в память принтера.

Максимальный поддерживаемый формат бумаги для большинства принтеров A4 или A3 (297  420 мм).

Принтеры подключаются к ЭВМ через порты LPT или USB.

Рассмотрим три наиболее распространенных типа принтеров: 1) матричные; 2) струйные; 3) лазерные.

В матричных принтерах печать точек осуществляется тонкими иглами (pin). Между бумагой и иглой находится красящая лента. При каждом ударе иглы по ленте краска переносится на бумагу. Цвет изображения на бумаге определяется цветом красящей ленты. Каждая игла управляется собственным электромагнитом. Печатающая головка с иглами перемещается в горизонтальном направлении листа, и знаки в строке печатаются последовательно. Количество иголок в печатающей головке определяет качество печати. Обычно матричные принтеры оснащены 9, 18 или 24 иглами.

Достоинства матричных принтеров:

- низкая стоимость принтера и расходных материалов для него (красящей ленты);

- низкая себестоимость копии;

- возможность одновременной печати нескольких копий с помощью копирки.

Недостатки матричных принтеров:

- невысокие качество и скорость печати;

- шум при печати.

Струйные принтеры в печатающем узле вместо иголок имеют тонкие трубочки – сопла, через которые на бумагу выбрасываются мельчайшие капельки красителя (чернил) («пузырьковая» технология). Матрица печатающей головки обычно содержит от 12 до 64 сопел (дюз). Технически процесс распыления выглядит следующим образом. В стенку сопла встроен электрический нагревательный элемент, температура которого при подаче электрического импульса резко возрастает за 5-10 мкс. Все чернила, находящиеся в контакте с нагревательным элементом, мгновенно испаряются, что вызывает резкое повышение давления, под действием которого чернила выстреливаются из сопла на бумагу. Объем выстреливаемой капли не превышает 1,5 пиколитра (1 пиколитр = 10-10 литра). После «выстрела» чернильные пары конденсируются, в сопле образуется зона пониженного давления и в него всасывается новая порция чернил. Чернила каждого цвета находятся в своем картридже. Для создания цветного изображения используется обычно принятая в полиграфии цветовая схема CMYK, включающая четыре базовых цвета: Cyan – циан (оттенок голубого), Magenta – пурпурный, Yellow – желтый, Black – черный. Сложные цвета образуются смешением цветов CMYK. В последнее время к базовой схеме добавляют 2-4 цвета для повышения правильности цветопередачи.

Основные достоинства струйных принтеров:

- высокое качество печати для принтеров с большим количеством сопел с разрешением до 720  1440 dpi; возможна печать фотографий;

- высокая скорость печати – до 10 страниц в минуту;

- бесшумность работы.

Основные недостатки струйных принтеров:

- использование хорошей бумаги, чтобы не растекались чернила;

- опасность засыхания чернил внутри сопла, что иногда приводит к необходимости замены печатающего узла;

- высокая стоимость расходных материалов, в частности, картриджей с чернилами.

В лазерных принтерах для создания сверхтонкого светового луча служит лазер. Лазер вычерчивает на поверхности предварительно заряженного электрически положительно светочувствительного фотобарабана контуры невидимого точечного электронного изображения. На барабан наносится красящий порошок (тонер). В тех точках барабана, на которые попал лазерный луч, меняется заряд, и к этим местам притягивается частицы тонера. Лист втягивается с лотка и ему передается электрический заряд. При наложении на барабан, лист притягивает к себе частицы тонера с барабана. Для фиксации тонера, лист снова заряжается и проходит между валами, нагретыми до 180 градусов. По окончании печати барабан разряжается, очищается от тонера и снова используется. В результате получаются отпечатки, не боящиеся влаги, устойчивые к истиранию и выцветанию.

Широко используются цветные лазерные принтеры. Цветная печать обеспечивается применением разноцветного тонера по цветовой схеме CMYK. В цветном лазерном принтере находится четыре печатных механизма, расположенные в ряд. Бумага последовательно проходит под каждым из четырех фотобарабанов, с которых на нее наносится тонер соответствующего цвета. При черно-белой печати цветные барабаны просто приподнимаются над поверхностью бумаги и не участвуют в печати.

Достоинства лазерных принтеров:

- высокая скорость печати – от 10 до 40 и выше страниц в минуту;

- скорость печати не зависит от разрешения;

- высокое качество печати до 2880 dpi;

- нетребовательность к качеству бумаги;

- низкая себестоимость копии (на втором месте после матричных принтеров);

- бесшумность.

Недостатки лазерных принтеров:

- высокая цена принтеров, особенно цветных;

- невысокое качество цветных изображений, напечатанных на цветных лазерных принтерах;

высокое потребление электроэнергии.

      1. Сканеры

Сканер – это устройство для ввода в ЭВМ информации с бумаги, слайдов или фотопленки.

Различают планшетные и ручные сканеры.

Принцип работы планшетных сканеров заключается в следующем. Сканируемый оригинал помещается на прозрачном неподвижном стекле. Вдоль стекла передвигается сканирующий сенсор с источником света. Оптическая система планшетного сканера проецирует световой поток, отражаемый от сканируемого оригинала, на сканирующий сенсор.

Применяются два типа сенсоров – CCD (Charge-Coupled Device) и CIS (Contact Image Sensor).

В ССD-сканерах используется система зеркал, установленная в специальной каретке. Зеркала передают отраженный от оригинала свет на параллельные линейки светочувствительных элементов (CCD-матрица). Каждая линейка принимает информацию о своем цвете – красном (Red), зеленом (Green) и синем (Blue).

В CIS-сканерах светочувствительный элемент находится в непосредственной близости от сканируемого документа, и система зеркал не применяется. Поэтому CIS-сканеры компактнее CCD-сканеров, однако глубина резкости и качество изображения уступает последним.

В сканирующем сенсоре уровни освещенности преобразуются в уровни напряжения и формируется аналоговый сигнал. Затем, после коррекции и обработки, аналоговый сигнал преобразуется в цифровой аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой сигнал поступает в ЭВМ, где данные, соответствующие изображению оригинала обрабатываются и преобразовываются под управлением драйвера сканера.

Скорость сканирования страницы формата A4 составляет 5-15 секунд.

В отличие от планшетного, пользователь сам двигает сканирующую головку ручного сканера по оригиналу. Ручные сканеры применяются в магазинах для считывания скан-кодов товаров.

Основными характеристиками сканеров являются разрешающая способность, скорость сканирования и максимальный поддерживаемый формат бумаги. Эти характеристики аналогичны характеристикам принтеров.

      1. 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.

      1. 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.

  1. Лекция 4


    1. Программное обеспечение ЭВМ

Совокупность программ, процедур и правил, а также документации, связанных с функционированием системы обработки данных, составляют программное обеспечение (ПО; software). Программное и аппаратное обеспечение в ЭВМ работают в неразрывной связи и взаимодействии.

ПО предназначено для решения конкретных задач. Приложение (application) – это программная реализация решения задачи на ЭВМ. В большинстве случаев, приложения разрабатываются для последующего выхода с ним на рынок ПО. Программный продукт (ПП) – это комплекс взаимосвязанных программ для решения определенной проблемы (задачи) массового спроса, подготовленный к реализации как любой вид промышленной продукции.

Жизненный цикл ПП состоит из трех стадий: 1) разработка ПП; 2) эксплуатация и сопровождение; 3) завершение жизненного цикла.


Стадия разработки ПП включает следующие частично перекрывающиеся этапы.

МС – маркетинг рынка ПО и формирование требований к ПП предназначены для изучения требований к создаваемому ПП, включающие следующие действия:

- изучение сегмента рынка ПО, где предполагается использование разрабатываемого ПП, и анализ аналогичных ПП; определение состава и назначения функций обработки данных ПП;

- установление требований пользователя к способу взаимодействия с ПП (система меню, использование манипулятора «мышь», типы подсказок, виды экранных документов и т. п.);

- определение аппаратных и программных средств, необходимых для эксплуатации ПП.

ПС – проектирование структуры ПП связано с разработкой структуры ПП, структуры информационной базы задачи, выбором методов и средств создания программ – технологии программирования.

ПР – программирование и тестирование программ являются технической реализацией проектных решений и выполняются с помощью выбранного инструментария разработчика, включающего языки и системы программирования. Разработка отдельных модулей ПП ведется параллельно для сокращения продолжительности этого этапа. Тестирование является важным этапом разработки ПП и часто требует не меньше времени, чем программирование. Программа проверяется на устойчивость работы в случае неверных входных данных, ошибочных действиях пользователя и сбое аппаратного обеспечения. Тестирование разбивается на два этапа. Альфа-тестирование осуществляется в месте его разработки, и его результатом является стабильно работающая программа. Бета-тестирование производится у заказчика ПП для проверки его функциональности и выявления оставшихся ошибок. Тестирование продолжается и на этапе эксплуатации.

ДК – документирование ПП заключается в разработке необходимых сведений по установке и обеспечению надежной работы ПП, поддержке пользователей при выполнении функций обработки системой помощи и подсказок, определении порядка взаимодействия ПП с другими программами.

Стадия эксплуатации и сопровождения включает следующие этапы.

ВР – выпуск ПП на рынок ПО сопровождается различными приемами маркетинга: рекламой, увеличением числа каналов реализации, скидками, службой поддержки и др. ПП может быть выпущен на рынок как коммерческое, условно-бесплатное (shareware) или бесплатное (freeware) ПО. Для получения копии коммерческого пользователь должен предварительно его оплатить. Условно-бесплатное ПО является ознакомительным. Пользователь может попробовать данный ПП в течение определенного периода. По истечению этого периода пользователь должен купить ПО или отказаться от его использования. Бесплатное ПО не имеет ограничений на использование.

ЭП – эксплуатация ПП идет параллельно с этапом сопровождения. При этом эксплуатация может начинаться раньше и заканчиваться позже сопровождения.

СП – сопровождение ПП заключается в поддержке работоспособности ПП, переход на его новые версии, усовершенствование, исправление обнаруженных ошибок и т. п.

Стадия завершения жизненного цикла состоит из одного этапа.

СН – снятие ПП с продажи и отказ от сопровождения происходит, как правило, по следующим причинам:

- появлением новых технологий и устройств;

- плохих отзывах пользователей;

- смене политики разработчика этого ПП.

Длительность жизненного цикла для различных ПП различна. Для большинства современных ПП длительность жизненного цикла составляет в среднем 2-3 года.

    1. 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.

    1. Операционные системы

Операционная система (ОС) представляет собой комплекс системных и служебных программных средств. С одной стороны, она опирается на базовое ПО, входящее в его систему BIOS, с другой стороны, она сама является основой для ПО более высоких уровней – прикладных и большинства служебных приложений. Приложениями ОС принято называть программы, предназначенные для работы под управлением данной системы.

Основная функция всех ОС – посредническая. Она заключается в обеспечении нескольких видов взаимодействия:

- взаимодействие между пользователем с одной стороны и программным и аппаратным обеспечением ЭВМ с другой стороны, называемое интерфейсом пользователя;

- взаимодействие между программным и аппаратным обеспечением, называемое аппаратно-программным интерфейсом;

- взаимодействие между программным обеспечением разного уровня, называемое программным интерфейсом.

ОС появились и развивались в процессе совершенствования аппаратного обеспечения компьютеров, поэтому эти события исторически тесно связаны. Развитие компьютеров привело к появлению огромного количества различных ОС, из которых далеко не все широко известны. Для одной и той же аппаратной платформы существует несколько ОС. Различия между ними рассматриваются в двух категориях: внутренние и внешние. Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций. Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к конкретному рабочему месту.

ОС можно подразделить по типу аппаратного обеспечения, на котором ОС работают.

Серверные ОС одновременно обслуживают множество пользователей и позволяют им делить между собой программно-аппаратные ресурсы сервера. Серверы также предоставляют возможность работы с печатающими устройствами, файлами или сетью Интернет. У Интернет-провайдеров обычно работают несколько серверов для того, чтобы поддерживать одновременный доступ к сети множества клиентов. На серверах хранятся страницы веб-сайтов и обрабатываются входящие запросы. Unix и специальная серверная версия ОС Windows являются примерами серверных ОС. Теперь для этой цели стала использоваться и ОС Linux.

Следующую категорию составляют ОС для персональных компьютеров. Их работа заключается в предоставлении удобного интерфейса для одного пользователя. Такие системы широко используются и повседневной работе. Основными ОС в этой категории являются Windows XP / Vista / 7, Apple MacOS и Linux.

Другим видом ОС являются системы реального времени. Главным параметром таких систем является время. Например, в системах управления производством компьютеры, работающие в режиме реального времени, собирают данные о промышленном процессе и используют их для управления оборудованием. Такие процессы должны удовлетворять жестким временным требованиям. Если по конвейеру передвигается автомобиль, то каждое действие должно быть осуществлено в строго определенный момент времени. Если сварочный робот сварит шов слишком рано или слишком поздно, то нанесет непоправимый вред изделию. Системы VxWorks и QNX являются ОС реального времени.

Встроенные ОС используются в смартфонах, карманных компьютерах и бытовой технике. Карманный компьютер – это маленький компьютер, помещающийся в кармане и выполняющий небольшой набор функции, например, телефонной книжки и блокнота. Смартфон – это мобильный телефон, обладающий многими возможностями карманного компьютера. Встроенные микропроцессорные системы, управляющие работой устройств бытовой техники, не считаются компьютерами, но обладают теми же характеристиками, что и системы реального времени, и при этом имеют малые размер и память и ограничения мощности, что выделяет их в отдельный класс. Примерами таких ОС являются Google Andrоid и Apple iOS.

Самые маленькие ОС работают на смарт-картах, представляющих собой устройство размером с кредитную карту и содержащих центральный процессор. На такие ОС накладываются очень жесткие ограничения по мощности процессора и памяти. Некоторые из них могут управлять только одной операцией, например электронным платежом, но другие ОС выполняют более сложные функции.

Основными функциями ОС являются:

1) распределение ресурсов ЭВМ между процессами – выделение процессам ресурсов ЭВМ в зависимости от их приоритета;

2) поддержание файловой системы – организация хранения и поиска программ и данных на внешних носителях;

3) обеспечение интерфейса пользователя – прием и выполнение команд пользователя.

Рассмотрим эти функции ОС подробнее.

    1. Распределение ресурсов ЭВМ между процессами

После запуска программы создается соответствующий ей процесс, которому выделяются ресурсы ЭВМ. Каждый процесс получает адресное пространство в ОЗУ, содержащее стек, регистры, счетчик команд и другие необходимые элементы. Также ресурсами являются время процессора и доступ к устройствам ввода-вывода.

В каждый момент времени процесс может находиться в одном из следующих состояний:

- создание – подготовка условий для исполнения процессором;

- выполение – непосредственное исполнение процессором;

- ожидание по причине занятости какого-либо требуемого ресурса;

- готовность – процесс не исполняется, но все необходимые для выполнения процесса, кроме времени процессора, предоставлены;

- завершение – нормальное или аварийное окончание работы процесса, после которого время процессора и другие ресурсы ему не предоставляются.

Процесс могут породить ОС, пользователь или другой процесс. ОС может выполнять несколько процессов одновременно, однако в каждый момент времени выполняется только один процесс. Таким образом, создается иллюзия многозадачности за счет мгновенного перераспределения ресурсов ЭВМ, прежде всего, времени процессора. Завершение процесса осуществляется ОС, другими процессами или пользователем, например, закрывающим программу.

Специальная программа планировщик, являющаяся частью ОС, распределяет ресурсы ЭВМ между процессами. Таким образом, процессы конкурируют за ресурсы. Каждый процесс имеет приоритет, в соответствии с которым он получает ресурсы ЭВМ. Наибольший приоритет имеют компоненты ОС, наименьший – программы пользователя. Приоритет процесса зависит также от частоты запроса процессом ресурсов. Чем более требователен процесс к ресурсам, тем он имеет более высокий приоритет.

Пример распределения времени процессора между процессами представлен на Error: Reference source not foundунке.



Процесс 1 – высокий приоритет.

Процесс 2 – средний приоритет.

Процесс 3 – низкий приоритет.



Переключение между процессами осуществляется каждые несколько миллисекунд. Поэтому у пользователя создается впечателение одновременной работы нескольких процессов. Однако в некоторых случаях доступ к устройствам ввода-вывода следующего процесса осуществляется только после того, как другой процесс освободил его. Например, распечатка документов на принтере несколькими пользователями.

Пример распределения ОЗУ между процессами представлен на рисунке.

После запуска процесса ему выделяется адресное пространство. В памяти могут располагаться несколько процессов, причем один процесс не имеет доступ к адресному пространству другого процесса. Если объема ОЗУ не хватает для выполнения всех процессов, то выделяется виртуальная память на жестком диске, где хранится часть данных процесса. Жесткий диск, на котором располагается виртуальная память, гораздо медленнее, чем ОЗУ, поэтому в виртуальной памяти хранятся процессы, остановленные в данный момент или с самым низким приоритетом.

В рамках одного процесса могут создаваться потоки. Потоки сообща используют ресурсы, выделяемые для процесса, прежде всего, объем ОЗУ. По существу, потоки выполняются в рамках одного процесса точно так же, как процессы выполняются на одном компьютере. Но в каждый отдельный момент выполняется один процесс и один поток, только переключение между ними осуществляется очень быстро.

Основной причиной появления потоков является возможность разделения функций процесса между потоками и выполнение их параллельно. Например, некоторому процессу необходимо выполнить печать документа, однако принтер занят печатью документа другого процесса. Если процесс однопоточный, то процесс остановится и будет ждать разрешения на печать. В случае многопоточного процесса во время простоя другой поток процесса может выполнять свои функции, например, сохранить файл документа на жестком диске.

Кроме этого, создание и удаление потоков осуществляется намного быстрее, чем создание и удаление процессов, что ускоряет работу процесса в целом.


    1. Поддержание файловой системы

На одном физическом жестком диске может размещаться один или несколько логических дисков. Физический диск – это отдельное устройство. ОС разбивает физический диск на несколько разделов, в каждом из которых создается свой логический диск.

Каждый логический диск состоит из двух областей:

1) загрузочной области, содержащей программный код для загрузки ОС;

2) области данных, которая содержит файлы и каталоги ОС и пользователя.

Нумерация дисков осуществляется следующим образом:

A, B – дисководы для дискет;

C, D, … – логические диски на жестких дисках, дисководах CD, DVD или Blu-Ray и других ВЗУ.

Всем компьютерным приложениям необходимо хранить и получать данные. Наиболее удобной для доступа к ВЗУ оказалась система, при которой пользователь или процесс назначает для той или иной совокупности данных некоторое имя. Файл – это поименованная конечная последовательность данных на диске. Часть ОС, работающая с файлами и обеспечивающая хранение данных на дисках и доступ к ним, называется файловой системой.

Минимальная единица хранения на жестком диске или дискете ОС – кластер. Файл занимает на диске один или несколько кластеров. Месторасположение файла характеризуется двумя адресами:

1) пользовательским: имя файла – это адрес, по которому пользователь может получить доступ к совокупности данных этого файла;

2) аппаратным: номера дорожки, сектора и т. п. определяет физическое месторасположение файла на ВЗУ.

Преобразование пользовательского адреса в аппаратный и обратно осуществляется с помощью файловой системы ОС. Таким образом, файловая система ОС является промежуточным звеном между пользователем и ВЗУ.

Возможны следующие действия с файлами:

- создание: за файлом закрепляется название и выделяется место на диске;

- открытие: поиск файла на диске и выделение памяти в ОЗУ для обмена данными с файлом;

- закрытие: сохранение текущего состояния файла после действий с ним;

- изменение: модификация содержимого файла;

- копирование и перемещение файла;

- переименование: закрепление за файлом нового имени;

- удаление: освобождение места на диске, занимаемого файлом.

На любом диске обязательно присутствует корневой каталог. Корневой каталог представляет собой совокупность записей о файлах и других каталогах, которые он содержит. Каждая запись содержит следующие параметры:

- имя файла;

- расширение файла;

- объем файла в байтах;

- дата и время создания файла;

- дата и время последнего открытия (доступа) файла;

- атрибуты файла: только для чтения; скрытый файл; системный файл; архивированный файл.

Корневой каталог имеет фиксированное место на диске и размер. Все остальные каталоги имеют такую же структуру, но могут храниться в любом месте области данных диска, как и файлы. Каталоги необходимы для упорядоченного хранения файлов. В ОС Winodows каталоги называются папками.

В ОС Windows имя файла не может превышать 255 символов и может содержать латинские и русские буквы, знаки пунктуации. В одном каталоге не может находиться двух файлов с одинаковыми именами.

Расширения файлов используются ОС, чтобы определить какую программу необходимо запустить для обработки файла с данным расширением. Расширение определяет тип файла, но не тип – расширение. Основные расширения файлов приведены в таблице.


Тип

Назначение

EXE, COM

Исполняемые файлы – программы

DOC, RTF, TXT

Документы

LNK

Файл ярлыка

DLL, SYS

Системные файлы

BMP, JPG, GIF, PNG

Файлы изображений

MID, MP3, WAV, WMA

Звуковые файлы

ASF, AVI, MOV, MP4, MPG

Видеофайлы


От файловой системы требуется выполнение следующих действий:

- определение по имени файла физического расположения его частей;

- определение наличия свободного места и выделение его для вновь создаваемых файлов.

Скорость выполнения этих операций напрямую зависит от самой файловой системы. Разные файловые системы используют различные механизмы для реализации указанных задач и имеют свои преимущества и недостатки. Файловая система FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов), использующихся в ОС MS-DOS и Windows, представляют собой образ носителя в миниатюре, где детализация ведется до кластернго уровня. Поэтому операция поиска физических координат файла при его большой фрагментации будет затруднительна. Еще хуже обстоит дело с поиском свободного места для больших файлов. Приходится просматривать практически всю таблицу, поэтому быстродействие падает. Современная файловая система NTFS (New Technology File System – файловая система нового типа) в ОС Windows XP / Vista / 7 использует более компактную форму записи, что ускоряет поиск файла. Поэтому операции с выделением места под файл проходят быстрее. Ключевое преимущество файловой системы NTFS – возможность ограничения доступа к файлам и каталогам.


    1. Обеспечение интерфейса пользователя

По реализации интерфейса пользователя различают интерфейс командной строки и графический интерфейс.

Основным устройством управления в интерфейсе командной строки является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно редактировать. Исполнение команды начинается после ее подтверждения нажатием клавиши ENTER. Интерфейс командной строки реализован в семействе ОС MS-DOS компании Microsoft.

Графические интерфейс пользователя реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве устройства управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или другое устройство позиционирования. Работа с графическим интерфейсом пользователя основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления.

В качестве примера активного элемента управления выступает указатель (курсор) мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши.

В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений: экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многие другие.

Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжении приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства.

Примером ОС с графическим интерфейсом пользователя являются ОС семейства Windows компании Microsoft и семейства MacOS компании Apple.

Рассмотрим реализацию графического интерфейса пользователя на примере ОС Windows XP.

ОС обеспечивает единообразный интерфейс для всех своих компонентов (составных частей): окон, меню, панелей инструментов и т. п., через которые пользователь управляет системой.

Основным элементом, с которым работает ОС Windows, является объект. Объекты можно классифицировать следующим образом:

- приложения – программы, файлы с расширением EXE;

- документы – файлы с текстовыми, звуковыми и графическими данными;

- папки – каталоги на носителях данных или контейнеры, которые могут содержать другие объекты;

- ярлыки – ссылки на объекты ОС Windows для быстрого доступа к ним;

- специальные объекты – Главное меню, Рабочий стол, Панель управления и др.

В ОС Windows существует иерархия папок.

На ЭВМ, работающей под управлением ОС Windows, может работать несколько пользователей, для которых создается индивидуальные элементы иерархии.

Рабочий стол появляется после запуска ОС Windows и содержит все элементы интерфейса пользователя:

- Главное меню (меню Пуск), содержащее списки установленных программ пользователя; документов, открытых пользователем; пункты настройки программного и аппаратного обеспечения, поиска файлов и папок;

- Панель задач, которая отображает кнопку для каждого приложения, запущенного пользователем;

- окна приложений.

Иерархия папок ОС Windows

Папка Мои документы предназначена для хранения личных документов пользователя. ОС Windows создает индивидуальные папки для каждого пользователя.

Через папку Мой Компьютер осуществляется доступ к логическим дискам ЭВМ.

Панель управления позволяет совершать следующие действия по управлению и настройке ЭВМ:

- установить новое программное и аппаратное обеспечение;

- настроить элементы интерфейса пользователя;

- выбрать язык;

- установить дату, время, часовой пояс.

Сетевое окружение настраивает работу компьютера в локальной или глобальной сети, что включает следующие функции:

- создание новых сетевых подключений;

- поиск ЭВМ в сети;

- навигация по доступным ресурсам сетевых ЭВМ.

В Корзину помещаются файлы и папки после удаления. Файлы и папки удаляются из Корзины в двух случаях:

1) по команде пользователя;

2) по команде ОС Windows, чтобы освободить место для новых файлов.

Навигация по иерархии папок осуществляется с помощью стандартного приложения ОС Windows – Проводника.


    1. Драйверы устройств

Чтобы управлять устройствами, используются драйверы устройств – специальные программы, которые выполняют две основные задачи:

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 устройством. Обычно ОС передает через регистры в контроллер команды управления и данные, передаваемые в устройство, а контроллер передает ОС данные о состоянии устройства и данные, полученные от устройства. Система команд и количество регистров для разных контроллеров различаются. Например, контроллер манипулятора «мышь» обрабатывает такие параметры, как положение указателя мыши на экране и состояние кнопок: нажата или не нажата. КПВВ должен отслеживать состояние передачи данных через порт: данные переданы или нет.

Драйверы разрабатываются производителем устройств и поставляются вместе с ними или доступны на веб-сайте производителя. Периодически производители обновляют драйверы, повышая эффективность работы устройств.

  1. Лекция 5

    1. Понятие алгоритма

В основу работы ЭВМ положен программный принцип управления, состоящий в том, что ЭВМ выполняет действия по заранее заданной программе. Программа – это упорядоченная последовательность команд, которые понимает ЭВМ.

В основе любой программы лежит алгоритм. Алгоритм – это полное и точное описание на некотором языке конечной последовательности правил, указывающих исполнителю действия, которые он должен выполнить, чтобы за конечное время перейти от (варьируемых) исходных данных к искомому результату.

Термин «алгоритм» произошел от имени среднеазиатского ученого аль-Хорезми (787 – ок. 850), которым были описаны общие правила (названные позднее алгоритмами) выполнения основных арифметических действий в десятичной системе счисления. Эти алгоритмы изучаются в начальных разделах школьной математики. К числу алгоритмов школьного курса математики относятся также правила решения определенных видов уравнений или неравенств, правила построения различных геометрических фигур и т. п. Понятие алгоритма используется не только в математике, но и во многих областях человеческой деятельности, например, говорят об алгоритме управления производственным процессом, алгоритме управления полетом ракеты, алгоритме пользования бытовым прибором. Причем интуитивно под алгоритмом понимают некоторую систему правил, обладающих определенными свойствами.

Далее, изучая понятие алгоритма, мы будем предполагать, что его исполнителем является автоматическое устройство ЭВМ. Это накладывает на запись алгоритма целый ряд обязательных требований. Сформулируем эти требования в виде перечня свойств, которыми должен обладать алгоритм, адресуемый к исполнению на ЭВМ.

1. Первым свойством алгоритма является дискретный (пошаговый) характер определяемого им процесса. Возникающая в результате такого разбиения запись алгоритма представляет собой упорядоченную последовательность отдельных предписаний (директив, команд), образующих прерывную/дискретную структуру алгоритма: только выполнив требования одного предписания можно приступить к исполнению следующего.

2. Исполнитель может выполнить алгоритм, если он ему понятен, то есть записан на понятном ему языке и содержит предписания, которые исполнитель может выполнить. Набор действий, которые могут быть выполнены исполнителем, называется системой команд исполнителя. Алгоритм не должен содержать описания действий, не входящих в систему команд исполнителя, то есть своей структурой команд и формой записи алгоритм должен быть ориентирован на конкретного исполнителя.

3. Алгоритмы, предназначенные для исполнения техническим устройством, не должны содержать предписаний, приводящих к неоднозначным действиям. Алгоритм рассчитан на чисто механическое исполнение, и если применять его повторно к одним и тем же исходным данным, то всегда должен получаться один и тот же результат; при этом и промежуточные результаты, полученные после соответствующих шагов алгоритмического процесса, тоже должны быть одинаковыми. Это свойство определенности и однозначности – детерминированности алгоритма позволяет использовать в качестве исполнителя специальные машины-автоматы.

4. Основополагающим свойством алгоритма является его массовость, применимость к некоторому классу объектов, возможность получения результата при различных исходных данных на некоторой области допустимых значений. Например, исходными данными в алгоритмах аль-Хорезми могут быть любые пары десятичных чисел. Конечно, его способ не всегда самый рациональный по сравнению с известными приемами быстрого счета. Но смысл массовости алгоритма состоит как раз в том, что он одинаково пригоден для всех случаев, требует лишь механического выполнения цепочки простых действий и при этом исполнителю нет нужды в затратах творческой энергии.

5. Цель выполнения алгоритма – получение конечного результата посредством выполнения указанных преобразований над исходными данными. В алгоритмах аль-Хорезми исходными данными и результатом являлись числа. Причем при точном исполнении всех предписаний алгоритмический процесс должен заканчиваться за конечное число шагов. Это обязательное требование к алгоритмам – требование их результативности или конечности.

В математике известны вычислительные процедуры алгоритмического характера, не обладающие свойством конечности. Например, процедура вычисления числа . Однако, если мы введем условие завершения вида «закончить после получения n десятичных знаков числа », то получим алгоритм вычисления n десятичных знаков числа . На этом принципе построены многие вычислительные алгоритмы.

6. Если алгоритм должен быть выполнен не просто за конечное время, а за разумное конечное время, то речь идет об эффективности алгоритма. Время выполнения алгоритма очень важный параметр, однако, понятие эффективности алгоритма трактуется шире, включая такие аспекты, как сложность, необходимые ресурсы, информационно-программное обеспечение. Эффективность алгоритма часто определяет возможность его практической реализации.

    1. Алгоритмизация

Алгоритмизация – процесс разработки и описания алгоритма решения какой-либо задачи.

Пусть имеется некоторая математическая задача, которая может быть решена одним из известных математических методов. Как приступить к процессу построения алгоритма решения такой задачи?

Поскольку речь идет о разработке алгоритма для ЭВМ, то нужно сначала проанализировать возможность его машинной реализации, оценить ресурсы и возможности конкретной ЭВМ, имеющейся в распоряжении (в том числе, допустимую точность вычислений, необходимый объем запоминающих устройств, быстродействие, информационно-программное обеспечение).

Непосредственная разработка алгоритма начинается с осознания существа поставленной задачи, с анализа того, что нам известно, что следует получить в качестве результата, в какой форме нужно представить исходные данные и результаты вычислений. Следующая ступень – разработка общей идеи алгоритмического процесса и анализа этой идеи. После этого можно приступить к более детальной разработке уже задуманного конкретного алгоритма. И вот этот процесс разработки конкретного алгоритма, в соответствии с определением самого понятия «алгоритм», заключается в последовательном выполнении следующих пунктов:

1) разложении всего вычислительного процесса на отдельные шаги – возможные составные части алгоритма, что определяется внутренней логикой самого процесса и системой команд исполнителя;

2) установлении взаимосвязей между отдельными шагами алгоритма и порядка их следования, приводящего от известных исходных данных к искомому результату;

3) полном и точном описании содержания каждого шага алгоритма на языке выбранной алгоритмической системы;

4) проверке составленного алгоритма на предмет, действительно ли он реализует выбранный метод и приводит к искомому результату.

В результате проверки могут быть обнаружены ошибки и неточности, что вызывает необходимость доработки и коррекции алгоритма – возвращение к одному из предыдущих пунктов. Во многих случаях разработка алгоритма включает в себя многократно повторяющуюся процедуру его проверки и коррекции.

Процедура проверки и коррекции алгоритма производится не только с целью устранения ошибок, но и с целью улучшения, то есть оптимизации алгоритма. При определенном методе решения задачи оптимизация проводится с целью сокращения алгоритмических действий и упрощения по возможности самих этих действий. При этом алгоритм должен оставаться «эквивалентным» исходному. Будем называть два алгоритма эквивалентными если выполняются следующие условия:

1) множество допустимых исходных данных одного из них является множеством допустимых исходных данных и другого; из применимости одного алгоритма к каким-либо исходным данным следует применимость и другого алгоритма к этим данным;

2) применение этих алгоритмов к одним и тем же исходным данным дает одинаковые результаты.

    1. Словесная запись алгоритмов

Самой распространенной формой представления алгоритмов, адресуемых человеку, является обычная словесная запись. В этой форме могут быть выражены любые алгоритмы. Но если такой алгоритм предназначен для его дальнейшей реализации на вычислительном устройстве, то принято придерживаться более формализованного способа построения фраз с тщательно отобранным набором слов. Кроме того, необходимо указывать начало и конец алгоритма, отмечать момент ввода в вычислительное устройство значений исходных данных и вывода/печати полученного результата. В вычислительных алгоритмах широко используется общепринятая математическая символика, язык формул. Вводится необходимая в вычислительной практике операция присваивания:

у := А

(читается: «у присвоить значение А»), где у – переменная; А – некоторое выражение/формула. Следует сначала выполнить все действия, предусмотренные формулой А, а затем полученный результат сохранить в качестве значения переменной у. Выражение А в частном случае может быть переменной или числом.

Предположим, что правила выполнения арифметических операций сложения, вычитания и умножения известны исполнителю. Тогда искомым алгоритмом будет следующая система предписаний:

Начало.

1. Ввести x1, x2.

2. p = –(x1+x2).

3. q = x1x2.

4. Вывести p, q.

Конец.

    1. Схемы алгоритмов

Схема алгоритма – это графический способ его представления с элементами словесной записи. Каждое предписание алгоритма изображается с помощью плоской геометрической фигуры – блока. Отсюда название: блок-схема. Переходы от предписания к предписанию изображаются линиями связи – линиями потоков информации, а направление переходов – стрелками. Различным по типу выполняемых действий блокам соответствуют различные геометрические фигуры. Приняты определенные стандарты графических изображений блоков (таблица).

Рассмотрим общие правила построения схем алгоритмов.

1. Для конкретизации содержания блока и уточнения выполняемого действия внутри блока помещаются краткие пояснения – словесные записи с элементами общепринятой математической символики.


Наименование символа

Обозначение
и размеры

Функция

Процесс
(вычислительный блок)

Выполнение операции или группы операций, в результате которых изменяются значение, форма представления или расположение данных

Решение (логический блок)

Выбор направления выполнения алгоритма в зависимости от некоторых условий

Модификация (заголовок цикла)

Выполнение операций по управлению циклом – повторением команды или группы команд алгоритма

Пуск-останов (начало-конец)

Начало или конец выполнения программы или подпрограммы

Предопределенный процесс (вызов подпрограммы)

Вызов и использование ранее созданных и отдельно описанных алгоритмов (подпрограмм)

Ввод/вывод

Общее обозначение ввода или вывода данных в алгоритме безотносительно к внешнему устройству

Соединитель

Указание прерванной связи между блокам в пределах одной страницы

Межстраничный соединитель

Указание прерванной связи между блоками, расположенными на разных листах


2. Основное направление потока информации в схемах может не отмечаться стрелками. Основное направление – сверху вниз и слева направо. Если очередность выполнения блоков не соответствует этому направлению, то возможно применение стрелок.

3. По отношению к блоку линии могут быть входящими и выходящими. Количество входящих линий принципиально не ограничено. Количество выходящих линий регламентировано и зависит от типа блока. Например, логический блок должен иметь не менее двух выходящих линий, каждая из которых соответствует одному из возможных направлений вычислений. Блок модификации должен иметь две выходящие линии, одна соответствует повторению цикла, вторая – его окончанию.

4. Допускается разрывать линии потока информации, размещая на обоих концах разрыва специальный символ «соединитель». В пределах одной страницы используется символ обычного соединителя, во внутреннем поле которого помещается маркировка разрыва либо отдельной буквой, либо буквенно-цифровой координатой блока, к которому подходит линия потока. Если схема располагается на нескольких листах, переход линий потока с одного листа на другой обозначается с помощью символа «межстраничный соединитель». При этом на листе с блоком-источником соединитель содержит номер листа и координаты блока-приемника, а на листе с блоком-приемником – номер листа и координаты блока-источника.

5. Нумерация блоков осуществляется либо в левом верхнем углу блока в разрыве его контура, либо рядом слева от блока. Принцип нумерации может быть различным, наиболее простой – сквозная нумерация. Блоки начала и конца не нумеруются.

6. Для блоков приняты следующие размеры: а = 10, 15, 20 мм; b = 1,5а. Если необходимо увеличить размер блока, то допускается увеличение на число, кратное пяти. Необходимо выдерживать минимальное расстояние 3 мм между параллельными линиями потоков и 5 мм между остальными символами.

С помощью блок-схем можно изображать самые различные алгоритмы, например, линейной, разветвляющейся и циклической структур.

Блок-схемы являются исключительно простым и наглядным способом представления алгоритмов. Их очень полезно использовать при разработке общей структуры алгоритма, чтобы отчетливо представить себе алгоритм в целом и проследить все логические связи между его отдельными частями, проверить все ли возможные варианты решения поставленной задачи нашли в нем отражение.

Блок-схемы не накладывают никаких ограничений на степень детализации в изображении алгоритма. Степень детализации определяется программистом. Однако следует помнить, что схемы общего характера мало информативны, а излишне подробные схемы проигрывают в наглядности. При разработке сложных алгоритмов, чтобы понять сущность выполняемых действий и выявить основные связи, алгоритм записывается в виде общей схемы, состоящей из крупных блоков. Блоки соответствуют основным шагам алгоритма (вводу данных, обработке, выводу данных). Затем крупные блоки разбивают на более мелкие, составляя более детальные схемы, позволяющие проверить их логическую правильность.


    1. Технология разработки алгоритмов

Опыт практической алгоритмизации и программирования привел к формированию неких общих принципов и методов проектирования, разработки и оформления алгоритмов.

Какими качествами должен обладать хороший алгоритм?

Прежде всего, от алгоритма требуется, чтобы он правильно решал поставленную задачу. Но не менее важно, какой ценой это достигается. Речь идет о разумности затрат на его создание. С этой точки зрения алгоритм должен быть легким для понимания, простым для доказательства правильности и удобным для модификации. В рамках такой идеологии и сформировался так называемый структурный подход к конструированию и оформлению алгоритмов, позволяющий уменьшить количество ошибок в алгоритмах, упрощающий их контроль и модификацию.

По своей сути структурный подход есть отказ от беспорядочного стиля в алгоритмизации и программировании (в частности, отказ от оператора goto) и определение ограниченного числа стандартных приемов построения легко читаемых алгоритмов и программ с ясно выраженной структурой. Теоретическим фундаментом этого подхода является теорема о структурировании, из которой следует, что алгоритм решения любой практически вычислимой задачи может быть представлен с использованием трех элементарных базисных управляющих структур: а) структуры следования или последовательности; б) структуры ветвления; в) структуры цикла с предусловием (см. Error: Reference source not foundунок, где P – условие, S – оператор).



Базисные управляющие структуры


Базисный набор управляющих структур является функционально полным, то есть с его помощью можно создать любой сколь угодно сложный алгоритм. Однако с целью создания более компактных и наглядных алгоритмов дополнительно используются следующие управляющие структуры: а) структура сокращенного ветвления; б) структура выбора; в) структура цикла с параметром; г) структура цикла с постусловием (следующий Error: Reference source not foundунок).

В разных языках программирования реализация базовых управляющих структур может быть различной. В языке Паскаль реализованы все рассмотренные структуры.

Дополнительные управляющие структуры


Любой алгоритм может быть построен посредством композиции базисных и дополнительных структур:

- их последовательным соединением образованием последовательных конструкций;

- их вложением друг в друга образованием вложенных конструкций.


    1. Разработка программы

Процесс программирования это запись разработанного алгоритма на специальном языке (языке программирования) представление алгоритма на языке, "понятном" исполнителю (вычислительной машине), т. е. в форме, допускающей ввод в машину и последующий перевод на машинный язык (в коды машины).

Язык программирования это строго формализованный язык для описания процесса решения задачи на ЭВМ, представляет собой совокупность ограниченного набора символов и строгих правил их использования. Составленная программа вводится в ЭВМ и затем автоматически переводится на язык машины с помощью специальных программных средств, позволяющих автоматизировать этот процесс. Перевод – "трансляция" исходного текста программы выполняется служебной программой – транслятором, который осуществляет синтаксический контроль текста программы и последующий его перевод.

Трансляторы могут быть компилирующего типа – компиляторы и интерпретирующего типа – интерпретаторы.

Компилятор анализирует и преобразует исходный текст в, так называемый, объектный код (промежуточное состояние программы в относительных адресах и с неразрешенными внешними ссылками) с использованием всей логической структуры программы. Затем программа, представленная в объектном коде, обрабатывается служебной программой – компоновщиком, который осуществляет подключение внешних подпрограмм/разрешение внешних ссылок и выполняет дальнейший перевод программы пользователя в коды машины (в абсолютный/загрузочный код – с абсолютной адресацией машинных команд). Программа в абсолютном коде может быть сохранена (в .exe-файле) и выполнена на компьютере. Загрузка программы из .exe-файла в память машины для её выполнения осуществляется служебной программой загрузчик.

Интерпретатор сразу производит анализ, перевод (в машинный код) и выполнение программы строка за строкой. Поэтому интерпретатор должен находиться в оперативной памяти в течение всего времени выполнения программы пользователя. При интерпретации скорость выполнения программы существенно снижается, однако весь процесс прохождения программы на ЭВМ упрощается и имеется возможность организации диалогового (интерактивного ) режима отладки и выполнения программы.

Выбор языка программирования определяется многими факторами: типом решаемой задачи, располагаемыми вычислительными средствами, вкусами и знаниями заказчика и разработчика.

Язык программирования Паскаль был создан профессором, директором института информатики Швейцарской высшей политехнической школы г. Цюриха Никлаусом Виртом, в 1968 г. впервые опубликовано предварительное описание языка, а в 1970 г. представлен компилятор. Язык назван в честь известного математика Блеза Паскаля (1623 – 1662 г.г.), автора первой механической вычислительной сумматорной машины. Язык Паскаль был создан автором специально для обучения дисциплине программирования в высшей школе как язык поддержки технологии структурного программирования и средство формирования у обучаемого определенного стиля и практических навыков программирования. Основной тезис его разработки: «язык должен быть очевидным и естественным отражением фундаментальных и наиболее важных концепций алгоритмов». Широкое распространение языка Паскаль, его современных диалектов, свидетельствует о его практической ценности в различных сферах применения и, прежде всего, в сфере начального обучения программированию и формирования профессиональных навыков будущего специалиста в области IT-технологий.

    1. Отладка и тестирование программы

Отладка программы – это процесс поиска и устранения ошибок. Часть ошибок формального характера, связанных с нарушением правил записи конструкций языка или отсутствием необходимых описаний, обнаруживает транслятор, производя синтаксический анализ текста программы. Транслятор выявляет ошибки и сообщает о них, указывая их тип и место в программе. Такие ошибки называются ошибками времени трансляции или синтаксическими ошибками.

Ошибочные ситуации могут возникнуть и при выполнении программы, например, деление на нуль или извлечение корня квадратного из отрицательного числа. Такие ошибки называются ошибками времени выполнения.

Программа, не имеющая ошибок трансляции и выполнения, может и не дать верных результатов из-за логических ошибок в алгоритме, т. е. алгоритмических или семантических ошибок. Ошибки подобного рода могут возникнуть на любом этапе разработки программы: постановки задачи, разработке математической модели или алгоритма. Необходим действенный контроль над процессом вычислений, позволяющий предотвращать или своевременно обнаруживать ошибки подобного рода. Для этого используются как качественный анализ задачи, основанный на различного рода интуитивных соображениях и правдоподобных рассуждениях, так и контрольный просчет или тестирование программы.

Тестирование программы – это выполнение программы на наборах исходных данных (тестах), для которых известны результаты, полученные другим методом. Система тестов подбирается таким образом, чтобы

а) проверить все возможные режимы работы программы;

б) по возможности, локализовать ошибку.

При тестировании программы простой и действенный метод дополнительного контроля над ходом её выполнения – получение контрольных точек, т. е. контрольный вывод промежуточных результатов.

Для проверки правильности работы программы иногда полезно также выполнить проверку выполнения условий задачи (например, для алгебраического уравнения найденные корни подставляются в исходное уравнение и проверяются расхождения левой и правой частей).

Для сложных по структуре программ плохо спланированные процессы алгоритмизации и программирования приводят к ошибкам, которые могут быть обнаружены лишь после многократных проверок, и процесс отладки и тестирования может потребовать значительно больше машинного времени, чем собственно само решение задачи на ЭВМ.

  1. Лекция 6

    1. Вычислительные сети

Вычислительная сеть (информационно-вычислительная сеть) – это совокупность узлов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему.


Структура вычислительной сети


Узел – это любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети. Узлами могут быть не только ЭВМ, но и сетевые периферийные устройства, например, принтеры.

Каждый узел в сети имеет минимум два адреса: физический, используемый оборудованием, и логический, используемый пользователями и приложениями.

Узлы обмениваются сообщениями. Здесь сообщение – это целостная последовательность данных, передаваемых по сети.

Отдельные части сети называются сегментами.

Передающая среда сети (канал связи) определяет, как будут передаваться сообщения по сети. Примерами передающих сред являются кабельные, радио-, спутниковые каналы.

Вычислительные сети имеют следующие характеристики.

1. Производительность – это среднее количество запросов пользователей сети, исполняемых за единицу времени. Производительность зависит от времени реакции системы на запрос пользователя. Это время складывается из трех составляющих:

- времени передачи запроса от пользователя к узлу сети, ответственному за его исполнение;

- времени выполнения запроса в этом узле;

- времени передачи ответа на запрос пользователю.

2. Пропускная способность – это объем данных, передаваемых через сеть ее сегмент за единицу времени (трафик).

3. Надежность – это среднее время наработки на отказ.

4. Безопасность – это способность сети обеспечить защиту информации от несанкционированного доступа.

5. Масштабируемость – это возможность расширения сети без заметного снижения ее производительности.

6. Универсальность сети – это возможность подключения к сети разнообразного технического оборудования и программного обеспечения от разных производителей.

Вычислительные сети используются в следующих целях:

1) предоставление доступа к программам, оборудованию и данным для любого пользователя сети; эта цель называется совместным использованием ресурсов;

2) обеспечение высокой надежности хранения источников информации; хранение данных в нескольких местах позволяет избежать их потерю, в случае их удаления в одном из мест;

3) обработка данных, хранящихся в сети;

4) передача данных между удаленными друг от друга пользователями.

По виду технологии передачи вычислительные сети делятся на следующие типы:

- широковещательные сети обладают общим каналом связи, совместно используемым всеми узлами; сообщения передаются всем узлам; примером широковещательной сети является телевидение;

- последовательные сети, в которых сообщению необходимо пройти несколько узлов, чтобы добраться до узла назначения; сообщение передается только одному узлу; примером такой технологии передачи является электронная почта.

Небольшие сети обычно используют широковещательную передачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

По размеру сети можно подразделить на следующие типы:

- локальные сети размещаются в одном здании или на территории одного предприятия; примером локальной сети является локальная сеть в учебном классе;

- региональные сети объединяют несколько предприятий или город; примером сетей такого типа является сеть кабельного телевидения;

- глобальные сети охватывают значительную территорию, часто целую страну или континент и представляют собой объединение сетей меньшего размера; примером глобальной сети является сеть Интернет.

По принципу построения сети делятся на следующие типы:

- одноранговые сети объединяют равноправные узлы; такие сети объединяют не более 10 узлов;

- сети на основе выделенного сервера имеют специальный узел – вычислительную машину (сервер), предназначенную для хранения основных данных сети и предоставления этих данных узлам (клиентам) по запросу.

    1. Модель взаимодействия открытых систем

Для описания общей модели взаимодействие открытых систем используется эталонная модель OSI (Open System Interconnection). Модель OSI состоит из 7 уровней (от низших к высшим):

1) физический;

2) канальный;

3) сетевой;

4) транспортный;

5) сеансовый;

6) представительский;

7) прикладной.

Каждый уровень использует для передачи низшие уровни. Взаимодействие между уровнями одного типа осуществляется по протоколам, а между низшими и высшими – с помощью интерфейсов.

Перед отправкой по сети данные разбиваются на пакеты – группы байт фиксированной длины. Пакет последовательно проходит все уровни от прикладного до физического. При этом на каждом уровне, кроме прикладного и представительского, к пакету добавляется служебная информация, называемая заголовком. Заголовок содержит информацию для адресации сообщений и для безошибочной передачи данных по сети.

Уровни модели взаимодействия открытых систем

На принимающей стороне пакет проходит все уровни в обратном порядке. Каждый уровень анализирует пакет, отделяет заголовок своего уровня и передает пакет на следующий уровень. На прикладном уровне данные примут свой первоначальный вид.

Рассмотрим задачи каждого из уровней модели OSI.

1-й уровень – физический. Самый низший уровень модели OSI. Основной задачей физического уровня является управление аппаратурой передачи данных и подключенным к ней каналом связи. На этом уровне формируются сигналы, которые передают данные в виде потока бит по передающей среде.

2-й уровень – канальный. На этом уровне физический канал преобразовывается в надежную линию связи, свободную от необнаруженных ошибок. Для этого формируется логический канал между двумя узлами, соединенных физическим каналом. Данные передаются по канальному уровню в виде кадров, которые включают, помимо данных, проверочную информацию. Проверочная информация позволяет установить, был ли передан кадр без искажений (ошибок) и частично восстановить информацию. Если кадр не был восстановлен, то происходит его повторная передача.

3-й уровень – сетевой. Отвечает за адресацию сообщений и перевод логических адресов в физические. Этот уровень разрешает проблемы, связанные с разными способами адресации и разными протоколами при переходе пакетов из одной сети в другую, позволяя объединять разнородные сети.

4-й уровень – транспортный. На этом уровне данные разбиваются на пакеты. При этом гарантируется, что эти пакеты прибудут по назначению в правильном порядке. Для этого осуществляется поиск оптимального маршрута передачи пакетов с точки зрения загруженности сегментов сети и времени передачи данных между узлами. Уровень управляет созданием и удалением сетевых соединений и управляет потоком сообщений.

5-й уровень – сеансовый. Позволяет двум процессам (например, приложениям) разных узлов устанавливать, использовать и завершать соединение, называемое сеансом. Этот уровень управляет передачей между двумя узлами и определяет, какая из сторон, когда и как долго должна осуществлять передачу.

6-й уровень – представительский. На этом уровне определяется формат, используемый для обмена данными между узлами. Уровень отвечает за преобразование, кодирование и сжатие данных.

7-й уровень – прикладной. Предоставляет доступ прикладным процессам к сетевым службам. Этот уровень управляет общим доступом к сети.

    1. Сетевые протоколы

Протоколы – это соглашение о формате и правилах передачи данных по сети. Протоколы обладают следующими свойствами:

- 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 стек или набор протоколов разных уровней модель OSI.

Передача данных по сети разбита на несколько шагов, каждому из которых соответствует протокол. Узел-отправитель выполняет следующие шаги:

- разбивает данные на пакеты;

- добавляет к пакетам служебную информацию: адрес получателя и информацию для проверки правильности и восстановления в случае возникновения ошибок при передачи;

- передает пакеты в сеть через сетевой адаптер.

Узел-получатель выполняет шаги в обратной последовательности:

- принимает пакеты из сети через сетевой адаптер;

- проверяет правильность передачи данных и удаляет служебную информацию из пакетов;

- объединяет пакеты в исходный блок данных.

    1. Топологии вычислительных сетей

Вычислительные машины, объединенные в локальную сеть, физически могут располагаться различным образом. Однако порядок их подсоединения к сети определяется топологией – усредненной геометрической схемой соединений узлов сети.

Наиболее распространенными топологиями локальных сетей, в которых передающей средой является кабель, являются кольцо, шина, звезда.

Топология кольцо предусматривает соединение узлов сети замкнутым контуром и используется для построения сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. Выход одного узла сети соединяется с входом другого. Информация по кольцу передаются от узла к узлу в одном направлении. Каждый промежуточный узел ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованное ему послание.

Топология кольцо

Последовательная организация обслуживания узлов сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов приводит к нарушению функционирования кольца.

Топология шина представляет собой последовательное соединение узлов между собой. Данные распространяются по шине в обе стороны. В каждый момент времени передачу может вести только один узел, поэтому производительность сети зависит только от количества узлов в сети. Сообщение поступает на все узлы, но принимает его только тот узел, которому оно адресовано. Узлы не перемещают сообщение, поэтому выход из строя одного узла не приводит к нарушению функционирования сети.

Топология шина

Топология звезда базируется на концепции центрального узла, через который вся информация ретранслирует, переключает, маршрутизирует (находит путь от источника к приемнику) информационные потоки в сети.

В качестве центрального узла выступает концентратор (хаб, hub). Концентраторы выполняются в виде отдельных устройств с 8, 16, 24 или 48 портами, к которым подключаются ЭВМ. При получении пакета в одном из портов концентратор широковещательно передает его на все остальные порты. Узлы анализируют адрес получателя пакета и, если он предназначен им, то получают его, иначе игнорируют его.

Концентраторы могут быть трех типов:

1) пассивные: только соединяющие сегменты сети;

2) активные: это пассивные концентраторы, усиливающие сигналы, увеличивая расстояние между узлами;

3) интеллектуальные: это активные концентраторы, выполняющие маршрутизацию.

Также центральным узлом сети может быть коммутатор (switch). В отличие от концентратора, это телекоммуникационное устройство пересылает принятый пакет не широковещательно на все порты, а адресату. Адресат определяется по адресу, содержащемуся в пакете. В результате такой передачи повышается общая пропускная способность сети.

Данная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг с другом. В то же время работоспособность локальной вычислительной сети зависит от центрального узла.

Топология звезда

При построении локальных сетей используются данные топологии или их сочетания.

    1. Виды коммутации

Основным назначением узлов коммутации является прием, анализ, а в сетях с маршрутизацией еще и выбор маршрута, и отправка данных по выбранному направлению.

Узлы коммутации осуществляют один из трех следующих видов коммутации при передаче данных.

1. Коммутация каналов. Между пунктами отправления и назначения устанавливается физическое соединение путем формирования составного канала из последовательно соединенных отдельных участков каналов связи. Такой сквозной составной канал организуется в начале сеанса связи, поддерживается в течение всего сеанса и разрывается после окончания передачи.

Преимущества:

- возможность работы в диалоговом режиме и в режиме реального времени;

- обеспечение полной прозрачности канала.

Недостатки:

- создание непрерывного канала связи требует большого времени;

- канал связи монополизируется источником и приемником, что снижает производительность сети.

Примером коммутации каналов является телефонная связь.

2. Коммутация сообщений. Данные передаются в виде сообщений разной длины. Отправитель указывает лишь адрес получателя. Узлы коммутации анализируют адрес и текущую занятость каналов и передают сообщение по свободному в данный момент каналу на ближайший узел сети в сторону получателя.

Преимущества:

- увеличение производительности сети, так как после передачи сообщения от узла к узлу канал освобождается;

- возможность выбора маршрута доставки сообщения.

Недостатки:

- увеличение времени доставки по сравнению с коммутацией каналов;

- затруднена работа в диалоговом режиме и режиме реального времени.

Примерами коммутации сообщений являются электронная почта и телеконференции.

3. Коммутация пакетов. Сообщения разбиваются на несколько пакетов стандартной длины. Пакеты могут следовать к получателю разными путями и непосредственно перед выдачей получателю объединяются для формирования исходных сообщений.

При передаче пакетов может создаваться виртуальный канал. Временной ресурс узла разделяется между несколькими пользователями так, что каждому пользователю отводится постоянно множество минимальных отрезков времени и создается впечатление непрерывного доступа.

Преимущество: наибольшая пропускная способность сети и наименьшая задержка при передаче данных;

Недостаток: трудность, а иногда и невозможность его использования для систем, работающих в интерактивном режиме и в реальном масштабе времени.

Коммутация сообщений и пакетов относится к логическим видам коммутации. При передаче данных формируется лишь логический канал между абонентами. Каждое сообщение (пакет) имеет адресную часть, определяющую отправителя и получателя; в соответствии с адресом выбирается дальнейший маршрут и передается сообщение из запоминающего устройства узла коммутации.

    1. Способы адресации ЭВМ в сети

В вычислительных сетях существуют три способа адресации.

1. Аппаратные адреса представляют собой шестнадцатеричные номера (12 цифр; например: 00-08-74-96-92-5C). Присвоение аппаратных адресов происходит автоматически: они встраиваются в аппаратуру (модемы, сетевые адаптеры и т. д.) на стадии производства или генерируются при каждом новом запуске оборудования.

2. Числовые составные адреса, например IP-адреса (Internet Protocol-адреса – адреса Интернет-протокола). IP-адрес записывается в виде четырех десятичных чисел, разделенных точками; каждое число лежит в диапазоне от 0 до 255. Таким образом, IP-адрес занимает 4 байта; например: 192.168.0.212.

3. Символьные адреса или имена предназначены для пользователей и несут смысловую нагрузку. Такие адреса имеют иерархическую структуру и состоят из отдельных доменов. Домен – это условное имя, показывающее принадлежность узлов определенной группе, например, стране, компании или государственному учреждению. Например, адрес class1.vpm.rsrea означает, что ЭВМ с этим адресом находится в РГРТУ (.rsrea) на кафедре вычислительной и прикладной математики (ВПМ, .vpm) в компьютерном классе 1 (class1).

Чтобы посмотреть адреса ЭВМ в ОС Windows, необходимо в командной строке набрать команду ipconfig /all.

В современных сетях для адресации используются все три способа адресации. Пользователь указывает символьный адрес, который заменяется числовым адресом (по таблицам адресов, хранимых на сервере имен сети). При поступлении передаваемых данных в сеть назначения числовой адрес заменяется аппаратным.

    1. Маршрутизация

Маршрутизация необходима для обеспечения следующих характеристик:

- максимальной пропускной способности сети;

- минимального времени прохождения пакета от отправителя к получателю;

- надежности доставки и безопасность передаваемой информации.

По способу управления маршрутизацию можно подразделить на два типа:

1) централизованная: выбор маршрута осуществляется в центре управления сетью, а узлы коммутации реализуют поступившее решение;

2) децентрализованная: функции управления распределены между узлами коммутации.

Существуют следующие методы маршрутизации.

1. Простая маршрутизация при выборе дальнейшего пути для сообщения (пакета) учитывает лишь статическое априорное состояние сети. Ее текущее состояние – загрузка и изменение топологии из-за отказов – не учитывается.

2. Фиксированная маршрутизация учитывает только изменение топологии сети. Для каждого узла назначения канал передачи выбирается по электронной таблице маршрутов (route table), определяющей кратчайшие пути и время доставки информации до пункта назначения.

3. Адаптивная маршрутизация учитывает изменение загрузки и изменение топологии сети. При выборе маршрута данные из таблицы маршрутов дополняются данными о работоспособности и занятости каналов связи, оперативной информацией о существующей очереди пакетов на каждом канале.

Маршрутизация в сетях осуществляется специальным устройством – маршрутизатором. Маршрутизаторы – это устройства для маршрутизации выполняются в виде отдельных многопроцессорных устройств или ЭВМ со специальным программным обеспечением.

  1. Лекция 7

    1. Глобальная сеть

Сеть Интернет – это глобальная сеть, соединяющая сети различного размера по всему миру. Сеть Интернет – это информационное пространство, содержащее огромное количество информации, хранилище информационных ресурсов. Информационными ресурсами являются совокупности текстов, изображений и других данных, а также тематические связи между ними.

В конце 1969 г. под эгидой Министерства обороны США был создан проект ARPAnet (Advanced Research Project Agency Network – сеть Управления перспективного планирования оборонных научно-исследовательских работ), объединивший в единую вычислительную сеть сети 4 исследовательских институтских центров по всей территории США. В рамках этого проекта проводились исследования в области телекоммуникаций с целью создания надежной системы, способной передавать данные даже в случае начала ядерной войны. Проект основывался на концепции децентрализованного управления, так как, в случае уничтожения или повреждения центра управления, происходил отказ всей сети. В 1974 г. были начаты разработки протоколов, способных обеспечить передачу данных по сетям разного типа – TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol – протокол управления передачей / Интернет-протокол). В 1983 г. сеть ARPAnet была переведена на протокол TCP/IP. После этого Министерства обороны передало контроль над сетью Национальному научному фонду США. Началось расширение сети ARPAnet, в том числе за пределы США. При этом фонд осуществлял борьбу с коммерциализацией сети, штрафуя тех, кто имел побочный доход в сети. К 1995 г. сеть ARPAnet разрослась до такой степени, что Национальный научный фонд США уже не успевал отслеживать деятельность каждого узла. Поэтому произошла передача региональным провайдерам оплаты за подсоединение многочисленных частных сетей к национальной магистрали.

Провайдер – это организация (фирма, компания), обеспечивающая подключение пользователей к сети Интернет. Подключение может осуществляться двумя способами:

1) по модему (телефонному, ADSL или другого типа) (раздел 3.4.6);

2) прямым подключением к сети провайдера.

После того, как пользователь соединился с провайдером, компьютер пользователя становится частью сети провайдера. Каждый провайдер имеет свой канал, связывающий его с более крупным провайдером. В свою очередь сети крупных провайдеров объеденены между собой магистральными линиями.

    1. Протоколы сети Интернет

Протоколы сети Интернет можно разделить на два типа: базовые и прикладные. Базовые протоколы – это протоколы нижнего уровня. Они обеспечивают физическую передачу сообщений между узлами в сети Интернет. Примером базового протокола является протокол ТСР/IP. Прикладные протоколы – протоколы высокого уровня. Эти протоколы обеспечивают функционирование служб сети Интернет. Например, протокол HTTP служит для передачи гипертекстовых документов, протокол FTP – для передачи файлов, а SMTP – для передачи электронной почты. Базовые и прикладные протоколы находятся в такой же взаимосвязи, что и уровни модели OSI.

На нижнем уровне используются два основных протокола: IP и TCP. Протокол TCP предназначен для управления передачей данных в виде пакетов, регулировкой и синхронизацией передачи на разных скоростях. Протокол IP необходим для однозначного определения адреса получателя пакетов. Такой адрес называется IP-адресом.

Семь уровней модели OSI преобразованы в четыре уровня протоколов TCP/IP:

1) уровень межсетевого интерфейса предназначен собственно для передачи данных по сети;

2) межсетевой уровень отвечает за маршрутизацию и доставку пакетов;

3) транспортный уровень выполняет задачи установки и поддержания соединения между двумя узлами, отправку уведомлений о получении данных;

4) прикладной уровень предоставляет доступ к сети приложениям.

Архитектура протоколов TCP/IP предназначена для объединения сетей. В их качестве могут выступать локальные, национальные, региональные и глобальные сети, каждая из которых функционирует по своим принципам. При этом каждая сеть может принять пакет данных и доставить его указанному узлу.

Предположим, имеется послание, отправляемое по электронной почте. Передача почты осуществляется по прикладному протоколу SMTP, который использует передачу по протоколам TCP/IP. По протоколу TCP данные разбиваются на небольшие пакеты фиксированной структуры и длины и маркируются так, чтобы при получении собрать из них исходное послание.

Обычно длина одного пакета не превышает 1500 байт. Поэтому одно электронное письмо может состоять из нескольких сотен таких пакетов. Малая длина пакета не приводит к блокировке линии связи и не позволяет отдельным пользователям надолго захватывать канал связи.

К каждому полученному пакету протокола TCP протокол IP добавляет информацию, по которой можно определить адрес отправителя и получателя. Это аналогично записи адреса на конверте письма. Для передачи пакета существует несколько маршрутов. Однако пакет не всегда передается по географически наикратчайшему пути. На направление его передачи влияет загруженность каналов связи, а не их протяженность. Таким образом, более короткий маршрут может оказаться самым долгим по времени передачи. Протокол TCP/IP гарантирует, что независимо от длины пути в результате конечного числа пересылок TCP-пакеты достигают адресата.

Чтобы посмотреть путь пакета до узла с заданным адресом в ОС Windows, необходимо в командной строке набрать команду tracert <адрес узла>.

При получении пакета IP-модуль адресата извлекает пакет протокола ТСР из IP-пакета и передает его TCP-модулю. В свою очередь ТСР-модуль извлекает данные из TCP-пакета и собирает данные принятых пакетов в исходное сообщение. Если пакет отсутствует или принят с ошибками, то производится его повторная передача. Передача одного и того же пакета повторяется до тех пор, пока пакет не будет получен в целостном виде. Для определения ошибок в пакете используются контрольные данные и помехоустойчивые коды, выявляющие и исправляющие ошибки.

Полученное сообщение передается процедурам протокола SMTP, которые далее обрабатывают это сообщение.

Таким образом, по протоколу IP данные непосредственно передаются по сети, а по протоколу ТСР обеспечивается надежная доставка данных адресату. Два узла в сети Интернет могут одновременно передавать в обе стороны по одному каналу несколько ТСР-пакетов от различных узлов.

    1. Система адресации в Интернет

Каждому компьютеру, подключенному к сети Интернет, присваивается числовой адрес, называемый IP-адресом.

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 только на время этого сеанса. Такое присвоение адреса компьютеру называется динамическим распределением IP-адресов. Динамическое распределение IP-адресов позволяет обслуживать большое количество пользователей, имея небольшое количество IP-адресов, так как один и тот же IP-адрес в разные моменты времени может быть выделен разным пользователям.

IP-адрес состоит из четырех чисел от 0 до 255 в десятичной системе счисления, разделенных точками. IP-адрес имеет иерархическую структуру. Например, адрес 152.207.71.12 состоит из следующих частей. Первые два числа (152.207) определяют сеть, третье число (71) – подсеть, четвертое число (12) – ЭВМ в этой подсети.

Так как каждое из четырех чисел IP-адреса изменяется от 0 до 255, то всего количество IP-адресов равно 2564 = 4,3 млрд. Однако некоторые адреса зарезервированы, поэтому они не используются.

IP-адрес трудно запоминаем пользователем, поэтому некоторые узлы в сети Интернет имеют символьные DNS-адреса (Domain Name System – система доменных имен), например, www.site.net. В сети Интернет существуют специальные DNS-серверы, которые по DNS-адресу выдают его IP-адрес.

DNS-адрес может иметь произвольную длину, образуется как символьный адрес в локальной сети (раздел 6.6) и включает в себя несколько уровней доменов. Уровни доменов разделяются точками. Самый правый домен – домен верхнего уровня. Чем левее домен, тем ниже его уровень. Например, DNS-адрес rsrea.ryazan.ru включает следующие уровни:

ru – домен Российской Федерации;

ryazan – домен города Рязань;

rsrea – домен РГРТУ

Во время приема запроса на перевод DNS-адрес в IP-адрес DNS-сервер выполняет одно из следующих действий:

- выдает IP-адрес, если запрашиваемый DNS-адрес хранится в его базе адресов;

- взаимодействует с другим DNS-сервером для того, чтобы найти IP-адрес запрошенного имени, в случае отсутствия DNS-адрес в его базе; такой запрос может проходить по цепочке DNS-серверов несколько раз;

- сообщает, что такой DNS-адрес не существует.

Для ускорения работы в сети Интернет запрошенные IP-адреса сохраняются на компьютере, чтобы не запрашивать его вновь у DNS-сервера и сразу обратиться по этому адресу.

Для доступа к ресурсам, расположенным в сети Интернет, используется унифицированный указатель ресурса – URL (Uniform Resource Locator).

Адрес URL является сетевым расширением понятия полного имени ресурса, например, файла или приложения и пути к нему в ОС. В адресе URL, кроме имени файла и директории, где он находится, указывается сетевое имя компьютера, на котором этот ресурс расположен, и протокол доступа к ресурсу, который можно использовать для обращения к нему.

В ЭВМ, подключенной к сети Интернет, файлы расположены в папках с разным уровнем вложенности. Например, URL http://rsrea.ryazan.ru/docs/prikazy/p123.htm включает следующие составляющие:

http – протокол передачи гипертекста – страниц, отформатированных в формате HTML;

rsrea.ryazan.ruDNS-адрес;

docs/prikazy/ – путь к файлу;

p123.htm – название ресурса – файла в формате HTML.

Как правило, путь к ресурсу на жестком диске компьютера, подключенного к сети Интернет, отличается от адреса URL. Таким образом, адрес URL является псевдонимом пути к ресурсу. Ресурсы сети Интернет доступны только для чтения, но не для записи.

    1. 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.

      1. Электронная почта

Служба электронной почты (electronic mail, e-mail) появилась раньше сети Интернет, однако она остается популярным способом пересылки сообщений. Электронное письмо похоже на письмо, пересылаемое по обычной (традиционной) почте, но значительно превосходит его по скорости пересылки, имеет низкую стоимость пересылки и обладает большим удобством в использовании. Электронное письмо содержит адреса электронной почты отправителя и получателя. В конверт с письмом можно вложить открытку или фотографию, а электронное письмо – файл любого формата: исполняемый, графический, звуковой. Отправитель может идентифицировать себя, поставив электронную подпись, как и подписью в обчном письме. Электронная почта изживает традиционную почту. В настоящее время большая часть писем отправляется по электронной почте, а не по традиционной. Ежегодно по всему миру рассылается более 800 млрд. электронных писем.

В отличие от телефонного звонка, электронное письмо может быть прочитано в удобное время для получателя время. Электронная почта доступна, и можно легко и просто отправить письмо любому человеку даже самого высокого ранга. Служба электронной почты повзволяет рассылать письма сразу большому количеству получателей и подтверждать получение письма.

Для получения адреса электронной почты необходимо выполнить два этапа. Во-первых, выбрать почтовый сервис. Самыми популярными почтовыми сервисами являются gmail.com, mail.ru и yandex.ru. Указанные почтовые сервисы и большинство других являются бесплатными. Во-вторых, надо зарегистрироваться на почтовом сервисе, выбрать имя для своего почтового ящика и пароль для доступа к нему для предотвращения несанкционированного доступа к почте.

Адрес электронной почты имеет формат:

имя_пользователя @ имя_сервиса.

Например, mailbox@fastmail.net. Здесь mailbox – название почтового ящика, fastmail.net – название почтового сервиса.

Длина имени пользователя определяется почтовыми сервисами. Обычно оно должно содержать не менее 5-6 символов. По имени сервиса можно определить, на каком почтовом сервисе зарегистрирован почтовый ящик.

Электронная почта построена по принципу клиент-серверной архитектуры. Пользователь общается с клиентской программой, которая в свою очередь общается с сервером почтового сервиса. Одной из популярных почтовых программ является Outlook Express фирмы Microsoft. Некоторые почтовые программы встроены в браузер – программу для просмотра документов во Всемирной сети (WWW), например, в браузер Opera фирмы Opera Software.

Процедуры отправки и получения почты используют разные протоколы. Для передачи писем используется протокол SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – протокол пересылки почты). Для приема почтовых сообщений наиболее часто используется протокол IMAP (Internet Message Access Protocol – протокол доступа к Интернет-сообщениям).

Рассмотрим пример работы электронной почты. Пусть владелец электронного ящика с адресом john@abc.net на почтовом сервисе abc.net хочет отправить письмо владельцу почтового ящика с адресом mary@xyz.com на сервисе xyz.com.

Сначала отправитель должен зайти на веб-сайт почтового сервиса abc.net или запустить программу для работы с электронной почты и ввести пароль для доступа к своему почтовому ящику. Далее отправитель должен составить текст письма, а в адресе получателя указать адрес электронной почты mary@xyz.com.

После составления и отправления письма, почтовая программа соединяется с почтовым сервером abc.net и передает ему письмо, содержащее текст письма и адрес электронной почты получателя mary@xyz.com. При отправке почты почтовая программа взаимодействует с сервером исходящей почты – SMTP-сервером.

После получения письма SMTP-сервер отправителя abc.net связывается с SMTP-сервером почтового сервиса получателя xyz.com. Для этого ему необходимо получить IP-адрес почтового сервиса xyz.com. Чтобы узнать этот адрес, он обращается к DNS-серверу и запрашивает IP-адрес сервера xyz.com.

DNS-сервер выдает IP-адрес, после чего SMTP-сервер abc.net соединяется с SMTP-сервером xyz.com. Если SMTP-сервер xyz.com недоступен, например, из-за сбоя или отказа оборудования на нем, то SMTP-сервер abc.net ставит письмо в очередь для отправки. Через каждые 10-15 минут сервер abc.net будет пытаться отправить письмо SMTP-серверу xyz.com. Через несколько дней, если сообщение так и не будет отправлено, отправитель письма получит сообщение на свой адрес электронной почты, что его письмо не может быть доставлено по адресу mary@xyz.com с указанием причины. В данной случае причиной является отсутствие связи с почтовым сервисом xyz.com.

Как только SMTP-серверу abc.net связывается с сервером xyz.com, он передает ему письмо. SMTP-сервер xyz.com проверяет существование адреса электронной почты mary@xyz.com и, в случае его существования, помещает письмо в почтовый ящик mary, иначе сервер abc.net получает сообщение, что ящик с таким именем не существует. Это сообщение пересылается отправителю на адрес john@abc.net.

После того, как письмо получено сервером xyz.com, получатель – владелец почтового ящика mary@xyz.com может прочесть его. Письма хранятся в почтовом ящике на сервере, что позволяет быстро искать и сортирововать почтовые отправления. Для просмотра почты, полученной в почтовый ящик, почтовая программа получателя взаимодействует с IMAP-сервером по протоколу IMAP. При взаимодействии по этому протоколу с сервера на компьютер получателя передаются заголовки писем с указанием адреса отправителя, темы письма и его размера (в байтах или Кбайтах). Получатель может загрузить тексты писем или удалить их из почтового ящика, не загружая их на свой компьютер.

К сожалению, служба электронной почты не всегда используется с добрыми намерениями. Настоящим бедствием пользователей электронной почты стал спам – электронные письма рекламного содержания. По некоторым оценкам до 40% всех электронных писем является спамом. Пользователям приходится тратить много времени на фильтрацию таких писем. Также электронная почта используется для пересылки компьютерных вирусов в виде вложений в электронное письмо. Поэтому не открывайте вложения, о пересылки которых вы не просили, даже если они отправлены известным вам отправителем.

      1. Служба WWW

Всемирная сеть (WWW) – самая популярная служба на базе сети Интернет благодаря своей доступности, простоте и удобству использования. Всемирная сеть объединяет веб-серверы, хранящие гипертекстовые документы.

Гипертекст – это текст, отформатированный особым образом. Гипертекст содержит ссылки на графические изображения и другие гипертекстовые документы, тематически связанные с ним. Пользователь может переходить от одного документа к другому по этим ссылкам. Такие переходы назваются веб-серфингом. Идея гипертекста оказалась подходящей для объединения информации в цифровой форме, распределенной во Всемирной сети.

Так как гипертекстовые документы ссылаются не только на текст, но и на мультимедийные ресурсы – совокупность текстовой, графической и видеоинформации, то понятие гипертекст было расширено до понятия гипермедия. Таким образом, гипермедия – это способ организации мультимедийной информации на основе гипертекста.

В основе Всемирной сети, как и электронной почты, лежит клиент-серверная архитектура. Для работы во Всемирной сети пользователю необходима специальная программа – браузер. Браузер предназначен для решения двух основных задач:

1) запрос по требованию пользователя информационного ресурса по его адресу URL у веб-сервера, на котором он хранится;

2) отображение содержимого запрошенного информационного ресурса на дисплее пользователя.

Браузер повышает удобство работы во Всемирной сети, выполняя следующие сервисные функции:

- хранение, обеспечение поиска и быстрого доступа к адресам URL, которые пользователь посещает чаще всего;

- ведение журнала посещений информационных ресурсов;

- сохранение информационных ресурсов, которые просматривал пользователь, на ВЗУ;

- обеспечение безопасности пользователя во время работы во Всемирной сети.

Примерами браузеров явлются Internet Explorer фирмы Microsoft, Opera фирмы Opera Software и Mozilla Firefox, созданный независимыми разработчиками. Браузеры являются бесплатным программным обеспечением.

Всемирная сеть – это совокупность веб-серверов, связанных между собой. Можно выделить два типа связи:

1) физические: каналы связи, связывающие веб-серверы;

2) информационные: ссылки гипертекстового документа, находящиеся на одном веб-сервере, на информационные ресурсы на других веб-серверах.

Веб-сервер – это совокупность аппаратного и программного обеспечения, решающая единственную основную задачу: получение запроса пользователся на информационный ресурс, обрабтка и выдача его пользователю. Веб-серверы не только выдают текст и графические изображения по запросу, но и могут выполнять более сложные операции по обработке информации: например, делать запросы к БД и наглядно представлять результаты запроса. Прием запроса от браузера веб-серверу и доставка информационных ресурсов осуществляется по протоколу HTTP (Hypertext Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста).

Гипертекстовый документ, расположенный на одном из веб-серверов, называется веб-страницей, а совокупность страниц, объединенных общей темой и связанных ссылками друг на друга, – веб-сайтами. Веб-сайты, имеющие широкую темат