Работа компьютера

Федеральное агентство по образованию

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По «Информатике»

Ангарск 2009

Принцип работы компьютера

Компьютер (англ. computer - вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами

Принцип работы компьютера - при создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:

- Арифметическо-логическое устройство - для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.

- Устройство управления - для организации процесса управления программ.

- Запоминающее устройство (память) - для хранения программ и информации.

- Внешние устройства - для ввода и вывода информации.

Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

Компьютерная информация хранится в электронном виде в различных запоминающих устройствах, которые называют компьютерной памятью. Для долговременного хранения информации используются постоянные носители компьютерной памяти, которые служат при вводе данных в компьютер и при выводе результатов его работы. Когда запускается на выполнение какая-либо программа, она сначала загружается в оперативную память компьютера и только потом процессор начинает выполнять содержащейся в ней инструкцию.

Работа компьютера обеспечивается, с одной стороны, аппаратными устройствами, а с другой - программами. Аппаратное обеспечение включает в себя внутренние компоненты (прежде всего интегральные микросхемы, в том числе процессоры, а также системные и интерфейсные платы) и внешние устройства (мониторы, принтеры, модемы, акустические системы). Компьютерные программы подразделяются на три категории:

Прикладные программы, которые непосредственно выполняют необходимые пользователю компьютера работы (редактирование текстов, обработка информационных массивов, просмотр видео, пересылка сообщений).

Системные программы, особую роль среди которых играет операционная система - программа, управляющая компьютером, запускающая другие программы и выполняющая сервисные функции при работе компьютера. Другие сервисные программы обычно выполняют различные вспомогательные функции - создают резервные копии используемой информации, проверяют работоспособность устройств компьютеров.

Инструментальные программы (системы программирования), которые помогают создавать новые программы для компьютера.

Представление информации в компьютере

Любая информация (числовая, текстовая, звуковая, графическая и т.д.) в компьютере представляется (кодируется) в так называемой двоичной форме. Как оперативная, так и внешняя память, где и хранится вся информация, могут рассматриваться, как достаточно длинные последовательности из нулей и единиц. Под внешней памятью подразумеваются такие носители информации, как магнитные и оптические диски, ленты и т.п.

В информационных процессах для каждого вида информации обязательно используются соответствующий носитель и подходящая система кодирования информации. Так. Например - текстовая информация кодируется с помощью букв национальных алфавитов, числовая информация - с помощью арабских или римских цифр, голосовая информация - с помощью фонетических звуков, музыкальная информация - с помощью нотной записи и т.д. Любая система кодирования преследует своей целью не скрытие информации (в отличие от систем шифрования информации), а наоборот - предоставление ее потребителю в наиболее удобном для потребления виде.

Понятия бита, байта

Единицей измерения информации является бит (Binary digit) - именно такое количество информации содержится в ответе на вопрос: нуль или один? Байта (1 байт=8 бит) достаточно для хранения 256 различных значений, что позволяет размещать в нем любой из алфавитно-цифровых символов, если только мы можем ограничиться языками с небольшими алфавитами типа русского или английского. Первые 128 символов (занимающие семь младших бит) стандартизированы с помощью кодировки ASCII (American Standart Code for Information Interchange). Хуже обстоит дело с кодировками русского текста (символы русского алфавита расположены во второй половине таблицы из 256 символов) - их несколько, а наиболее распространенные из них сейчас две - Windows-1251 и KOI8-R.

Для кодирования всех возможных символов, используемых народами мира, одного байта мало - необходимо использовать два последовательных (стандарт Unicode). Именно так и поступают при хранении символьных (char) значений в языке Java.

Более крупными единицами измерения информации являются:

- 1 Кбайт = 1024 байт = 210 байт= 1024 байт= 8192 бит:

- 1 Мбайт= 1024 Кбайт = 220 байт= 1048576 байт = 8388608 бит;

- 1 Гбайт = 1024 Мбайт= 230 байт= 1073741824 байт = 8589934592 бит;

- 1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт= 1099511627776 байт = 8796093022208 бит;

- 1 Пбайт= 1024 Тбайт = 250 байт= 1125899906842620 байт= 9007199254740990 бит.

Этапы решения задач на ЭВМ

Решение задач с помощью компьютера включает в себя следующие основные этапы, часть из которых осуществляется без участия компьютера.

1. Постановка задачи: сбор информации о задаче, фоpмулиpовка условия задачи, определение конечных целей решения задачи, определение формы выдачи результатов, описание данных;

2. Анализ и исследование задачи, модели;

3. Алгоритмизация (создание алгоритма программы).

С участием компьютера:

1. Запись алгоритма на выбранном языке пpогpаммиpования;

2. Тестирование и отладка;

3. Анализ результатов решения задачи и уточнение в случае необходимости математической модели с повторным выполнением этапов 1 - 2;

4. Сопровождение программы:

- доработка программы для решения конкретных задач;

- составление документации к решенной задаче, к математической модели, к алгоритму, к программе, к набору тестов, к использованию.

Рассмотрим подробнее содержание каждого из перечисленных этапов.

Постановка задачи выполняется заказчиком, в качестве которого может выступать внешняя организация, организация, в которой работает программист, начальник программиста, преподаватель, сам программист. На этом этапе задача, которую необходимо решить посредством составления программы для компьютера, формулируется на естественном языке (русском, китайском, языке племени мбвонга-твонга). При этом важно осознать, что решение данной задачи с помощью компьютера - действительно оптимальный способ получения результата. Вряд ли стоит составлять программу для вычисления суммы двух чисел - в этом случае достаточно воспользоваться калькулятором. При решении вычислительной задачи может оказаться, что уравнения, описывающие математическую модель явления, могут быть решены точно, аналитически (так, что решение записывается с помощью элементарных или специальных функций). В этом случае также не нужен компьютер. Если же речь идет о расчете аэродинамических характеристик новой модели самолета, без суперкомпьютера не обойтись!

Анализ задачи включает определение входных и выходных данных, выявление возможных ограничений на их значения и обычно завершается формализованным описанием задачи, которое часто предполагает ее математическую формулировку. Если речь идет о моделировании каких-либо явлений или процессов, на этом этапе разрабатывается математическая модель процесса (явления). В этом случае определяются факторы, которые играют основную роль, и отбрасываются те факторы, действие которых незначительно и которыми поэтому можно пренебречь. Так, при моделировании полета снаряда в поле тяготения Земли на небольшой высоте основное значение имеют сила тяжести и сопротивление воздуха, а неоднородности поля тяжести, кривизну поверхности Земли и действие ветра можно не учитывать.

Значение этапа алгоритмизации

Выбор или разработка алгоритма (Алгоритм - это последовательность математических, логических или вместе взятых операций, отличающихся детерминированностью, массовостью, направленностью и приводящая к решению всех задач данного класса за конечное число шагов) и численного метода решения задачи имеют важнейшее значение для успешной работы над программой. Тщательно проработанный алгоритм решения задачи - необходимое условие эффективной работы по составлению программы.

Проектирование общей структуры программы. На этом этапе происходит «архитектурная» проработка проекта. Определяются те части алгоритма, которые целесообразно оформить в виде подпрограмм, модулей. Определяется и способ хранения информации - в виде набора простых переменных, массивов или других структур.

Кодирование - это запись алгоритма на языке программирования. Если алгоритм решения задачи, структура программы и структура данных тщательно продуманы и аккуратно записаны, затраты времени на кодирование уменьшаются, а вероятность ошибок на этом этапе снижается.

Отладка и верификация программы представляют собой очень важную часть процесса разработки программы. Отладка заключается в устранении ошибок программирования, ошибок перевода алгоритма на язык программирования. Верификация - это доказательство того, что программа работает «правильно», дает правильный результат. Для этого разрабатывается система тестов, которые могут представлять собой специально подобранные наборы параметров, для которых задача может быть решена точно. Это могут быть, например, какие-нибудь предельные случаи. Если результат, полученный с помощью программы, совпадает (с учетом погрешности машинного счета) с ожидаемым, есть основание полагать, что программа работает корректно. Но это всего лишь основание, а не абсолютная уверенность! Среди начинающих программистов распространено убеждение, что если программа успешно откомпилирована и, будучи запущена на выполнение, выдает на экран ряды цифр, задача решена. На самом же деле программа готова, если разработчик смог доказать заказчику (да и самому себе), что результат работы программы является решением поставленной задачи.

Получение результата, его интерпретация с возможной последующей модификацией модели. Вот, наконец, программа проверена, большая часть ошибок устранена и есть обоснованная надежда на то, что, по крайней мере в рамках выбранной модели, она дает правильный результат. Этот результат необходимо проанализировать. Если* речь идет о моделировании какого-то природного процесса, следует сравнить полученные с помощью компьютера результаты и результаты наблюдений. Процесс такого анализа мы и называем интерпретацией результатов расчета. Здесь программиста может ожидать разочарование - результат может отличаться от требуемого. В этом случае, возможно, придется изменить саму модель, сделав ее более реалистичной.

Публикация или передача заказчику результата работы - это важнейший момент, момент рождения качественной программы. В научных исследованиях значение имеют результаты моделирования, которые публикуются в научных журналах. В других случаях конечным результатом работы может быть сама программа, которая передается заказчику для дальнейшей эксплуатации или выкладывается на ftp-сервер для свободного распространения и прославления автора программы!

Сопровождение программы предполагает консультации заказчику по работе программы, устранение замеченных в процессе ее эксплуатации недостатков (а возможно, и ошибок), обучение пользователей работе с программой. Этот, заключительный этап имеет особое значение для больших и сложных программ.

Программа нахождения суммы элементов массива

Program Summa_elementov_massiva;

Var A:array [1..20] of integer; // Объявляем переменные

Sum, i:integer;

Begin // Начало программы

For i:=1 to 20 do begin // Счетчик элементов массива

Writeln (`Введите элемент массива');

Read (А[i]); // Ввод элементов массива

End;

Sum:=0;

For i:=1 to 20 do

Sum:=Sum+A[i]; // Расчет суммы элементов

Write (`Сумма элементов массива =', Sum); // Вывод результата

End;

Список литературы

1. Голицына О.Л, Попов И.И. Основы алгоритмизации и программирования: Учеб. пособие. - М.: ФОРУМ: ИНФРА-М. 2004. - 432 с. - (серия «Профессиональное образование»).

2. Семакин И.Г., Шестаков А.П. Основы программирования: Учебник для среднего профессионального образования. - М.: Издательский центр «Академия». 2003. - 432 с.

3. Нестеренко А.В. ЭВМ и профессия программиста. М., Просвещение, 1990.

4. Брудно А.Л., Каплан Л.И. Московские олимпиады по программированию. М., Наука, 1990.

3. Гейн А.Г. и др. Основы информатики и вычислительной техники. М., Просвещение, 1994.

4. Касаткин В.Н. Информация, алгоритмы, ЭВМ. М., Просвещение, 1991.

5. Гейн А.Г., Шолохович В.Ф. Преподавание курса «Основы информатики и вычислительной техники» в средней школе. Руководство для учителя. Екатеринбург, 1992.