Теоретические основы информатики

Принцип перестановочности сложения и умножения работает во всех системах счисления. Приемы выполнения вычислений с многозначными числами в двоичной системе аналогичны десятичной. Иначе говоря, процедуры сложения, вычитания и умножения “столбиком” и деления “уголком” в двоичной системе производятся так же, как и в десятичной.

Рассмотрим правила вычитания и деления двоичных чисел. Операция вычитания является обратной по отношению к сложению. Из приведенной выше таблицы сложения следуют правила вычитания:

0 -- 0 = 0; 1 -- 0 = 1; 10 -- 1 = 1.

Вот пример вычитания многозначных чисел:

Полученный результат можно проверить сложением разности с вычитаемым. Должно получиться уменьшаемое число.

Деление -- операция обратная умножению.

В любой системе счисления делить на 0 нельзя. Результат деления на 1 равен делимому. Деление двоичного числа на 102 ведет к перемещению запятой на один разряд влево, подобно десятичному делению на десять. Например:

Деление на 100 смещает запятую на 2 разряда влево и т.д. В базовом курсе можно не рассматривать сложные примеры деления многозначных двоичных чисел. Хотя способные ученики могут справиться и с ними, поняв общие принципы.

Представление информации, хранящейся в компьютерной памяти в ее истинном двоичном виде, весьма громоздко из-за большого количества цифр. Имеется в виду запись такой информации на бумаге или вывод ее на экран. Для этих целей принято использовать смешанные двоично-восьмеричную или двоично-шестнадцатеричную системы.

Существует простая связь между двоичным и шестнадцатеричным представлением числа. При переводе числа из одной системы в другую одной шестнадцатеричной цифре соответствует четырехразрядный двоичный код. Это соответствие отражено в двоично-шестнадцатеричной таблице:

Двоично-шестнадцатеричная таблица

Такая связь основана на том, что 16 = 24 и число различных четырехразрядных комбинаций из цифр 0 и 1 равно 16: от 0000 до 1111. Поэтому перевод чисел из шестнадцатеричных в двоичные и обратно производится путем формальной перекодировки по двоично-шестнадцатеричной таблице.

Вот пример перевода 32-разрядного двоичного кода в 16-ричную систему:

1011 1100 0001 0110 1011 1111 0010 1010 BC16BF2A

Если дано шестнадцатеричное представление внутренней информации, то его легко перевести в двоичный код. Преимущество шестнадцатеричного представления состоит в том, что оно в 4 раза короче двоичного. Желательно, чтобы ученики запомнили двоично-шестнадцатеричную таблицу. Тогда действительно для них шестнадцатеричное представление станет эквивалентным двоичному.

В двоично-восьмеричной системе каждой восьмеричной цифре соответствует триада двоичных цифр. Эта система позволяет сократить двоичный код в 3 раза.

11. Хранение информации

Человек хранит информацию в собственной памяти, а также в виде записей на различных внешних (по отношению к человеку) носителях: на камне, папирусе, бумаге, магнитных и оптических носителях и пр. Благодаря таким записям информация передается не только в пространстве (от человека к человеку), но и во времени -- из поколения в поколение.

Разнообразие носителей информации

Информация может храниться в различных видах: в виде текстов, в виде рисунков, схем, чертежей; в виде фотографий, в виде звукозаписей, в виде кино- или видеозаписей. В каждом случае применяются свои носители. Носитель -- это материальная среда, используемая для записи и хранения информации.

К основным характеристикам носителей информации относятся: информационный объем или плотность хранения информации, надежность (долговечность) хранения.

Бумажные носители

Носителем, имеющим наиболее массовое употребление, до сих пор остается бумага. Изобретенная во II веке н.э. в Китае, бумага служит людям уже 19 столетий.

Для сопоставления объемов информации на разных носителях будем пользоваться универсальной единицей -- байт, считая, что один символ текста “весит” 1 байт. Книга, содержащая 300 страниц, при размере текста на странице примерно 2000 символов имеет информационный объем 600 000 байт, или 586 Кб. Информационный объем средней школьной библиотеки, фонд которой составляет 5000 томов, приблизительно равен 2861 Мб = 2,8 Гб.

Что касается долговечности хранения документов, книг и прочей бумажной продукции, то она очень сильно зависит от качества бумаги, от красителей, используемых при записи текста, от условий хранения. Интересно, что до середины XIX века (с этого времени в качестве бумажного сырья начали использовать древесину) бумага делалась из хлопка и текстильных отходов -- тряпья. Чернилами служили натуральные красители. Качество рукописных документов того времени было довольно высоким, и они могли храниться тысячи лет. С переходом на древесную основу, с распространением машинописи и средств копирования, с использованием синтетических красителей срок хранения печатных документов снизился до 200-300 лет.

Магнитные носители

В XIX веке была изобретена магнитная запись. Первоначально магнитная запись использовалась только для сохранения звука. Самым первым носителем магнитной записи была стальная проволока диаметром до 1 мм. В начале XX столетия для этих целей использовалась также стальная катаная лента. Качественные характеристики всех этих носителей были весьма низкими. Для производства 14-часовой магнитной записи устных докладов на Международном конгрессе в Копенгагене в 1908 г. потребовалось 2500 км, или около 100 кг проволоки.

В 20-х годах прошлого века появляется магнитная лентасначала на бумажной, а позднее -- на синтетической (лавсановой) основе, на поверхность которой наносится тонкий слой ферромагнитного порошка. Во второй половине XX века на магнитную ленту научились записывать изображение, появляются видеокамеры, видеомагнитофоны.

На ЭВМ первого и второго поколений магнитная лента использовалась как единственный вид сменного носителя для устройств внешней памяти. На одну катушку с магнитной лентой, использовавшейся в лентопротяжных устройствах первых ЭВМ, помещалось приблизительно 500 Кб информации.

С начала 1960-х годов в употребление входят компьютерные магнитные диски: алюминиевый или пластмассовый диск, покрытый тонким магнитным порошковым слоем толщиной в несколько микрон. Информация на диске располагается по круговым концентрическим дорожкам. Магнитные диски бывают жесткими и гибкими, бывают сменными и встроенными в дисковод компьютера. Последние традиционно называют винчестерами, а сменные гибкие диски -- флоппи-дисками.

“Винчестер” компьютера -- это пакет магнитных дисков, надетых на общую ось. Информационная емкость современных винчестеров измеряется в гигабайтах -- десятки и сотни Гб. Наиболее распространенный тип гибкого диска диаметром 3,5 дюйма вмещает 2 Мб данных. Флоппи-диски в последнее время выходят из употребления.

В банковской системе большое распространение получили пластиковые карты. На них тоже используется магнитный принцип записи информации, с которой работают банкоматы, кассовые аппараты, связанные с информационной банковской системой.

Оптические носители

Применение оптического, или лазерного, способа записи информации начинается в 1980-х годах. Его появление связано с изобретением квантового генератора -- лазера, источника очень тонкого (толщина порядка микрона) луча высокой энергии. Луч способен выжигать на поверхности плавкого материала двоичный код данных с очень высокой плотностью. Считывание происходит в результате отражения от такой “перфорированной” поверхности лазерного луча с меньшей энергией (“холодного” луча). Благодаря высокой плотности записи оптические диски имеют гораздо больший информационный объем, чем однодисковые магнитные носители. Информационная емкость оптического диска составляет от 190 до 700 Мб. Оптические диски называются компакт-дисками -- CD.

Во второй половине 1990-х годов появились цифровые универсальные видеодиски DVD (Digital Versatile Disk) с большой емкостью, измеряемой в гигабайтах (до 17 Гб). Увеличение их емкости по сравнению с CD связано с использованием лазерного луча меньшего диаметра, а также двухслойной и двусторонней записи. Вспомните пример со школьной библиотекой. Весь ее книжный фонд можно разместить на одном DVD.

В настоящее время оптические диски (CD -- DVD) являются наиболее надежными материальными носителями информации, записанной цифровым способом. Эти типы носителей бывают как однократно записываемыми -- пригодными только для чтения, так и перезаписываемыми -- пригодными для чтения и записи.

Флэш-память

В последнее время появилось множество мобильных цифровых устройств: цифровые фото- и видеокамеры, МР3-плееры, карманные компьютеры, мобильные телефоны, устройства для чтения электронных книг, GPS-навигаторы и многое другое. Все эти устройства нуждаются в переносных носителях информации. Но поскольку все мобильные устройства довольно миниатюрные, то и к носителям информации для них предъявляются особые требования. Они должны быть компактными, обладать низким энергопотреблением при работе и быть энергонезависимыми при хранении, иметь большую емкость, высокие скорости записи и чтения, долгий срок службы. Всем этим требованиям удовлетворяют флэш-карты памяти. Информационный объем флэш-карты может составлять несколько гигабайт.

В качестве внешнего носителя для компьютера широкое распространение получили флэш-брелоки (“флэшки” -- называют их в просторечии), выпуск которых начался в 2001 году. Большой объем информации, компактность, высокая скорость чтения-записи, удобство в использовании -- основные достоинства этих устройств. Флэш-брелок подключается к USB-порту компьютера и позволяет скачивать данные со скоростью около 10 Мб в секунду.

“Нано-носители”

В последние годы активно ведутся работы по созданию еще более компактных носителей информации с использованием так называемых “нанотехнологий”, работающих на уровне атомов и молекул вещества. В результате один компакт-диск, изготовленный по нанотехнологии, сможет заменить тысячи лазерных дисков. По предположениям экспертов приблизительно через 20 лет плотность хранения информации возрастет до такой степени, что на носителе объемом примерно с кубический сантиметр можно будет записать каждую секунду человеческой жизни.

Организация информационных хранилищ

Информация сохраняется на носителях для того, чтобы ее можно было просматривать, искать нужные сведения, нужные документы, пополнять и изменять, удалять данные, потерявшие актуальность. Иначе говоря, хранимая информация нужна человеку для работы с ней. Удобство работы с такими информационными хранилищами сильно зависит от того, как информация организована.

Возможны две ситуации: либо данные никак не организованы (такую ситуацию иногда называют кучей), либо данные структурированы. С увеличением объема информации вариант “кучи” становится все более неприемлемым из-за сложности ее практического использования (поиска, обновления и пр.).

Под словами “данные структурированы” понимается наличие какой-то упорядоченности данных в их хранилище: в словаре, расписании, архиве, компьютерной базе данных. В справочниках, словарях, энциклопедиях обычно используется линейный алфавитный принцип организации (структурирования) данных.

Крупнейшими хранилищами информации являются библиотеки. Упоминания о первых библиотеках относятся к VII веку до н.э. С изобретением книгопечатания (XV век) библиотеки стали распространяться по всему миру. В библиотечном деле имеется многовековой опыт организации информации.

Для организации и поиска книг в библиотеках создаются каталоги: списки книжного фонда. Первый библиотечный каталог был создан в знаменитой Александрийской библиотеке в III веке до н.э. С помощью каталога читатель определяет наличие в библиотеке нужной ему книги, а библиотекарь находит ее в книгохранилище. При использовании бумажной технологии каталог -- это организованный набор картонных карточек со сведениями о книгах.

Существуют алфавитные и систематические каталоги. Валфавитных каталогах карточки упорядочены в алфавитном порядке фамилий авторов и образуют линейную (одноуровневую)структуру данных. В систематическом каталоге карточки систематизированы по тематике содержания книг и образуют иерархическую структуру данных. Например, все книги делятся на художественные, учебные, научные. Учебная литература делится на школьную и вузовскую. Книги для школы делятся по классам и т.д.

В современных библиотеках происходит смена бумажных каталогов на электронные. В таком случае поиск книг осуществляется автоматически информационной системой библиотеки.

Данные, хранящиеся на компьютерных носителях (дисках), имеют файловую организацию. Файл подобен книге в библиотеке. Аналогично библиотечному каталогу операционная система создает каталог диска, который хранится на специально отведенных дорожках. Пользователь ищет нужный файл, просматривая каталог, после чего операционная система находит этот файл на диске и предоставляет пользователю. На первых дисковых носителях небольшого объема использовалась одноуровневая структура хранения файлов. С появлением жестких дисков большого объема стали использовать иерархическую структуру организации файлов. Наряду с понятием “файл” появилось понятие папки (см. “Файлы и файловая система” 2).

Более гибкой системой организации хранения и поиска данных являются компьютерные базы данных (см. “Базы данных” 2).

Надежность хранения информации

Проблема надежности хранения информации связана с двумя видами угроз для хранимой информации: разрушение (потеря) информации и кража или утечка конфиденциальной информации. Бумажные архивы и библиотеки всегда были подвержены опасности физического исчезновения. Огромный ущерб для цивилизации принесло разрушение упомянутой выше Александрийской библиотеки в I веке до н.э., поскольку большая часть книг в ней существовала в единственном экземпляре.

Основной способ защиты информации в бумажных документах от потери -- их дублирование. Использование электронных носителей делает дублирование более простым и дешевым. Однако переход на новые (цифровые) информационные технологии создал новые проблемы защиты информации. Подробнее об этом см. статью “Защита информации” 2.

Методические рекомендации

В процессе изучения курса информатики ученики приобретают определенные знания и умения, относящиеся к хранению информации.

Ученики осваивают работу с традиционными (бумажными) источниками информации. В стандарте для основной школы отмечается, что ученики должны научиться работать с некомпьютерными источниками информации: справочниками, словарями, каталогами библиотек. Для этого их следует ознакомить с принципами организации этих источников и с приемами оптимального поиска в них. Поскольку данные знания и умения имеют большое общеучебное значение, то желательно дать их ученикам как можно раньше. В некоторых программах пропедевтического курса информатики этой теме уделяется большое внимание.

Ученики должны овладеть приемами работы со сменными компьютерными носителями информации. Все реже в последнее время используются гибкие магнитные диски, на смену которым пришли емкие и быстрые флэш-носители. Ученики должны уметь определять информационную емкость носителя, объем свободного пространства, сопоставлять с ним объемы сохраняемых файлов. Ученики должны понимать, что для длительного хранения больших объемов данных наиболее подходящим средством являются оптические диски. При наличии пишущего CD-дисковода следует научить их организации записи файлов.

Важным моментом обучения является разъяснение опасностей, которым подвергается компьютерная информация со стороны вредоносных программ -- компьютерных вирусов. Следует научить детей основным правилам “компьютерной гигиены”: осуществлять антивирусный контроль всех вновь поступающих файлов; регулярно обновлять базы антивирусных программ.

12. Языки

Определение и классификация языков

Язык -- это определенная система символьного представления информации. В словаре по школьной информатике, составленном А.П. Ершовым [6], дано такое определение: “Язык -- множество символов и совокупность правил, определяющих способы составления из этих символов осмысленных сообщений”. Поскольку под осмысленным сообщением понимается информация, то данное определение по сути своей совпадает с первым.

Языки делятся на две группы: естественные и формальные. Естественные языки -- это исторически сложившиеся языки национальной речи. Для большинства современных языков характерно наличие устной и письменной форм речи. Анализ естественных языков в большей степени является предметом филологических наук, в частности, лингвистики. В информатике анализом естественных языков занимаются специалисты в области искусственного интеллекта. Одна из целей разработки проекта ЭВМ пятого поколения -- научить компьютер понимать естественные языки.

Формальные языки -- это искусственно созданные языки для профессионального применения. Они, как правило, носят международный характер и имеют письменную форму. Примерами таких языков являются язык математики, язык химических формул, нотная грамота -- язык музыки и др.

С любым языком связаны следующие понятия: алфавит --множество используемых символов; синтаксис -- правила записи языковых конструкций (текста на языке); семантика --смысловая сторона языковых конструкций; прагматика --практические последствия применения текста на данном языке.

Для формальных языков характерна принадлежность к ограниченной предметной области (математика, химия, музыка и пр.). Назначение формального языка -- адекватное описание системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной области. Поэтому все названные выше компоненты языка (алфавит, синтаксис и др.) ориентированы на специфику предметной области. Язык может развиваться, изменяться, дополняться вместе с развитием своей предметной области.

Естественные языки не ограничены в своем применении, в этом смысле их можно назвать универсальными. Однако не всегда бывает удобным использовать только естественный язык в узкопрофессиональных областях. В таких случаях люди прибегают к помощи формальных языков.

Известны примеры языков, находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными. Язык эсперантобыл создан искусственно для общения людей разных национальностей. А латынь, на которой в древности говорили жители Римской империи, в наше время стала формальным языком медицины и фармакологии, утратив функцию разговорного языка.

Языки информатики

Далее речь пойдет о языках, используемых при работе ЭВМ, в компьютерных информационных технологиях.

Информация, циркулирующая в компьютере, делится на два вида: обрабатываемая информация (данные) и информация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы).

Информацию, представленную в форме, пригодной для хранения, передачи и обработки компьютером, принято называтьданными. Примеры данных: числа при решении математической задачи; символьные последовательности при обработке текстов; изображение, введенное в компьютер путем сканирования, предназначенное для обработки. Способ представления данных в компьютере называется языком представления данных.

Для каждого типа данных различается внешнее и внутреннее представление данных. Внешнее представление ориентировано на человека, определяет вид данных на устройствах вывода: на экране, на распечатке. Внутреннее представление -- это представление на носителях информации в компьютере, т.е. в памяти, в линиях передачи информации. Компьютер непосредственно оперирует с информацией во внутреннем представлении, а внешнее представление используется для связи с человеком.

В самом общем смысле можно сказать, что языком представления данных ЭВМ является язык двоичных кодов. Однако с точки зрения приведенных выше свойств, которыми должен обладать всякий язык: алфавита, синтаксиса, семантики, прагматики, -- нельзя говорить об одном общем языке двоичных кодов. Общим в нем является лишь двоичный алфавит: 0 и 1. Но для различных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики языка внутреннего представления. Одна и та же последовательность двоичных цифр для разных типов данных имеет совсем разный смысл. Например, двоичный код “0100000100101011” на языке представления целых чисел обозначает десятичное число 16 683, а на языке представления символьных данных обозначает два символа -- “А+”. Таким образом, для разных типов данных используются разные языки внутреннего представления. Все они имеют двоичный алфавит, но различаются интерпретацией символьных последовательностей.

Языки внешнего представления данных обычно приближены к привычной для человека форме: числа представляются в десятичной системе, при записи текстов используются алфавиты естественных языков, традиционная математическая символика и пр. В представлении структур данных используется удобная табличная форма (реляционные базы данных). Но и в этом случае всегда существуют определенные правила синтаксиса и семантики языка, применяется ограниченное множество допустимых символов.

Внутренним языком представления действий над данными (языком управления работой компьютера) является командный язык процессора ЭВМ. К внешним языкам представления действий над данными относятся языки программирования высокого уровня, входные языки пакетов прикладных программ, командные языки операционных систем, языки манипулирования данными в СУБД и пр.

Любой язык программирования высокого уровня включает в себя как средства представления данных -- раздел данных, так и средства представления действий над данными -- раздел операторов (см. “Языки программирования” 2). То же самое относится и к другим перечисленным выше типам компьютерных языков.

Среди формальных языков науки наиболее близким к информатике является язык математики.

В свою очередь, из множества математических дисциплин наибольшее приложение в информатике имеют теория чисел и математическая логика.

В связи с этим можно говорить о том, что темы систем счисления (языка представления чисел) и основ математической логики (языка логики) относятся к фундаментальным основам информатики (см. “Системы счисления” и “Логические выражения” 2).

Методические рекомендации

В пропедевтическом и базовом курсах информатики большое образовательное значение имеет разговор о языках применительно к человеку. Знакомый ученикам термин “язык” приобретает новый смысл в их сознании. Вокруг этого термина строится целая система научных понятий. Понятие языка является одним из важнейших системообразующих понятий курса информатики.

Изучая каждое новое средство ИКТ, следует обращать внимание учеников на то, что для работы с ним пользователь должен овладеть определенным формализованным языком, что его использование требует строгого соблюдения правил языка: знания алфавита, синтаксиса, семантики и прагматики. Такая строгость связана с тем, что формализованные языки, как правило, не обладают избыточностью. Поэтому любое нарушение правил (использование символа, не входящего в алфавит, неправильное употребление разделительных знаков, например, запятой вместо точки и т.п.) приводит к ошибке.

Следует обращать внимание учеников на общность некоторых языковых конструкций, используемых в различных технологиях. Например, правила записи формул в электронных таблицах и арифметических выражений в языках программирования практически одинаковы. Существуют и различия, на которые тоже следует обращать внимание. Например, в языках программирования логические связки (NOT, AND, OR) являются знаками операций, а в электронных таблицах -- именами функций.

Для упрощения работы пользователя в современном программном обеспечении часто применяются различного рода оболочки, обеспечивающие удобный пользовательский интерфейс. Следует объяснять ученикам, что за этими оболочками, как правило, скрыт определенный формализованный язык. Например, за графической оболочкой операционной системы Windows скрывается командный язык ОС. Другой пример: СУБД MS Access предоставляет пользователю возможность для создания БД использовать конструктор таблиц, а для построения запросов -- конструктор запросов. Однако за этими высокоуровневыми средствами “скрывается” SQL -- универсальный язык описания данных и манипулирования данными. Перейдя в соответствующий режим, можно показать, как выглядят команды на SQL, сформированные в результате работы с конструктором.

Библиография разделу “Теоретические основы информатики”

1. Андреева Е.В., Босова Л.Л., Фалина И.Н. Математические основы информатики. Элективный курс. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2005.

2. Бешенков С.А., Ракитина Е.А. Информатика. Систематический курс. Учебник для 10-го класса. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, 57 с.

3. Винер Н. Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине. М.: Советское радио, 1968, 201 с.

4. Информатика. Задачник-практикум в 2 т. / Под ред. И.Г. Семакина, Е.К. Хеннера. Т. 1. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2005.

5. Кузнецов А.А., Бешенков С.А., Ракитина Е.А., Матвеева Н.В., Милохина Л.В. Непрерывный курс информатики (концепция, система модулей, типовая программа). Информатика и образование, № 1, 2005.

6. Математический энциклопедический словарь. Раздел: “Словарь школьной информатики”. М.: Советская энциклопедия, 1988.

7. Фридланд А.Я. Информатика: процессы, системы, ресурсы. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2003.

II. Компьютер

Список статей

1. Аппаратное и программное обеспечение

2. Архитектура

3. Базовые принципы устройства

4. Загрузка ПО

5. Исполнение программы

6. Контроллеры

7. Логические элементы и узлы

8. Машинная команда

9. Носители информации

10. Операционная система

11. Память внешняя

12. Память оперативная

13. Пользовательский интерфейс

14. Процессор

15. Устройства ввода/вывода

16. Файлы и файловая система

17. Функциональное устройство

18. Шины и интерфейсы

Учителя со стажем, вероятно, помнят, что когда в 1985 году в школе был введен курс информатики, он получил название “Основы информатики и вычислительной техники”. Такому длинному сочетанию в школьной практике не суждено было прижиться, и постепенно естественным образом основы вычислительной техники (ВТ) исчезли из названия предмета. Параллельно происходили более серьезные изменения, связанные с бурным развитием и совершенствованием самой ВТ. На начальных этапах преподавания курса школьные КУВТ состояли из маломощных машин с адресным пространством 64 Кб и единственным носителем в виде дискет емкостью 720 Кб, что предопределяло объем и соответствующий уровень сервиса программ. Общение с такой техникой требовало больших познаний, причем порой весьма специфических. Позднее на смену повсеместно пришли персональные компьютеры, информационные возможности которых выросли на порядки, а нормой программного интерфейса стал диалог в форме, близкой к естественной (см. “Пользовательский интерфейс”). В результате качественно упростился сам стиль общения с компьютером, что породило “облегченное” отношение к нему большинства пользователей, в том числе и в сфере образования. Возникло устойчивое мнение, что знание и понимание основ вычислительной техники перестало быть полезным, а грамотно использовать компьютер в состоянии любой человек, освоивший методы набора текста на клавиатуре и овладевший несложными манипуляциями с мышью.

По-видимому, полное пренебрежение к пониманию логики работы компьютера является чрезмерной крайностью. Например, Питер Нортон, известный не только своими замечательными программами, но и большим количеством популярных книг по IBM PC, в одной из них написал так: “Знать, как он работает, не менее важно, чем уметь работать с ПК. Вы можете вполне успешно пользоваться услугами компьютера, не понимая того, что в нем происходит. Однако чем глубже вы представляете процессы, происходящие в ПК, тем лучше будете использовать его возможности... Если что-нибудь случится в процессе работы с компьютером, вероятность того, что вы примете правильное решение, а не наделаете глупостей и не испортите все окончательно, будет выше”.

Выбор нового компьютера или модификация уже имеющегося, необходимость выполнения простейших программных настроек в процессе эксплуатации ПК, потребность в анализе системных требований при установке того или иного ПО -- все это требует хотя бы минимального понимания процессов, протекающих внутри нашего электронного помощника. Известный автор множества книг по компьютерной тематике Чарльз Петцольд писал: “Люди часто задают вопросы, которые подтверждают их интерес к внутреннему устройству компьютера. Один из них: “В чем разница между оперативной и постоянной памятью?” Это, без сомнения, очень важный вопрос. На подобных понятиях основан весь рынок персональных компьютеров. Предполагается, что даже новичок понимает, сколько мегов одной и гигов другой потребуется его программам. Считается также, что в самом начале знакомства с компьютером пользователь постигает концепцию файла и представляет себе, как файлы загружаются из постоянной в оперативную память и затем из оперативной записываются обратно в постоянную”.

Вспомните, о чем говорят наши ученики, обсуждая свои домашние компьютеры: у кого какой процессор, есть ли графический ускоритель и т.п. Так почему бы не помочь сделать это обсуждение более квалифицированным и содержательным?

Помимо общетехнических аргументов, стоит учитывать и педагогические. Как бы не назывался курс информатики, чтобы быть полноценной учебной дисциплиной, он должен быть связным и иметь некоторую внутреннюю логику построения. В свете этого исключение из рассмотрения базовых принципов функционирования компьютера приводит к “распаду” единства курса. В частности, попробуйте объяснить школьнику, который решает задачу в электронной таблице, зачем вы ему рассказывали на предыдущих уроках о двоичной системе счисления, если он и вводит данные в ячейки, и считывает полученный результат в десятичном виде. Аналогичным образом описание логических элементов во многих учебниках информатики стоит особняком от остального материала, тогда как при вдумчивом подходе он оказывается важной частью представлений о работе компьютера (см. “Логические элементы и узлы”).

Содержательная линия “Компьютер” при внимательном рассмотрении оказывается неразрывно связанной со всеми остальными линиями школьного курса. Многие темы последнего связаны с устройством ВТ и базируются на них (машинная графика, файловая система, программное обеспечение и т.д.). Даже такая общефилософская линия, как “Социальная информатика”, многое теряет, если отрывается от базовых принципов функционирования компьютера. Например, возможные отрицательные социальные последствия от чрезмерной автоматизации с обывательских позиций исходят непосредственно от машин. Но на данном уровне технологий опасность грозит с совершенно другой стороны: недостаточно тщательно спроектированные, написанные и протестированные программы, ошибочный ввод параметров рядовым оператором в ходе их эксплуатации, вредоносные вставки в ПО и несанкционированный доступ к данным -- вот далеко не полный список вполне реальных причин, способных при определенных условиях привести к катастрофе. Например, в интереснейшей статье Сергея Бобровского в русском издании журнала “PCWeek”1 приводится следующий весьма показательный пример. Использовавшаяся в Канаде и США система радиационной терапии Therac-25 иногда генерировала сверхдозы облучения, в сотни раз превышавшие максимально допустимые, в результате чего в середине 1980-х годов погибло пять человек. Лишь с большим трудом удалось установить источник трагедии: в системе использовалась самодельная и никем не сертифицированная ОС, которая в ряде случаев некорректно синхронизировала параллельные процессы.

Несмотря на поразительные успехи в автоматизации весьма сложной человеческой деятельности, по выражению Станислава Лема, “мышление людей так ужасающе отличается от мышления автоматов”. Не следует поэтому полагать, что интуитивный пользовательский опыт автоматически обеспечит понимание логики компьютера.

Для преодоления указанной дистанции между человеком и машиной активно используется многоуровневая организация вычислительных устройств. В результате компьютер можно рассматривать как иерархию уровней, каждый из которых выполняет ограниченный круг функций. Подробным образом теория многослойной организации компьютеров развита в классической книге Эндрю Таненбаума, которая в оригинале называется “Structured Computer Organization”2.

Каждый уровень можно считать самостоятельной виртуальной машиной с собственной системой команд и, соответственно, с собственными возможностями и языком. На ее базе строится следующая виртуальная машина с еще более мощной системой команд и т.д. Процесс надстройки уровней продолжается до тех пор, пока самый верхний из них не окажется подходящим для решения требуемых задач.

Человеку, общающемуся с компьютером на одном из верхних уровней, не обязательно знать о существовании более низких уровней: он введет необходимые команды на соответствующем языке (причем язык вполне может базироваться даже на графическом интерфейсе!), и машина их успешно выполнит. Но вот что, по мнению Таненбаума, очень важно. “Большинство программистов, использующих машину уровня n, интересуется только самым верхним уровнем, т.е. уровнем, который меньше всего сходен с машинным языком. Однако те, кто хочет понять, как в действительности работает компьютер, должны изучить все уровни”. Учитывая, что школа призвана дать не только конкретные компьютерные навыки, но наиболее общие, мировоззренческие знания (нечто подобное можно обнаружить, в частности, если сравнить электротехнику с соответствующими разделами физики), вывод очевиден.

И последнее соображение, которое подчеркивает важность изучения, казалось бы, “устаревшей” линии о внутреннем устройстве компьютера. В популярной литературе бытует до неприличия упрощенное, порой даже вульгарное изложение данной темы: в небольшой главе об устройстве компьютеров в подобных книгах вы чаще всего прочтете, что все ПК состоят из системного блока, монитора, клавиатуры и мыши. Такое поверхностное представление довольно далеко от реальности (см. “Функциональное устройство компьютера”).

В свете изложенного выше, из многочисленных тем, посвященных устройству компьютера, для школьного курса предлагается отобрать лишь те, что описывают наиболее общие принципы обработки информации в вычислительных устройствах и образуют некоторую минимальную логически связную картину. При этом предпочтение следует отдавать материалу, который не подвержен ежегодным изменениям.

В результате в состав раздела “Компьютер” вошли следующие статьи.

Любое устройство базируется на некоторых теоретических принципах. Базовые принципы устройства вычислительной техники были предложены более полувека назад в статье группы авторов, в которую входил Джон фон Нейман3. Данные принципы являются настолько общими, что сохранили свое значение до сих пор.

Свою более детальную реализацию базовые принципы находят в архитектуре. Архитектура предназначена для конкретного семейства компьютеров, тогда как базовые принципы едины для всех моделей. В частности, архитектура IBM PC отличается от архитектуры компьютеров Apple. К архитектуре относятся система команд, форматы данных, методы их адресации, способы взаимодействия с внешними устройствами и некоторые другие стандартные принципы, которые позволяют достичь программной совместимости между отдельными моделями внутри семейства.

Общеизвестно, что вычислительные устройства состоят из двух взаимосвязанных частей -- программной и аппаратной. Обзору этих частей и их соотношению в современном компьютере посвящается статья “Аппаратное и программное обеспечение”. Возможно, для общности следовало поместить две раздельные статьи о каждой из этих компьютерных составляющих, но, учитывая традиционность освещения данного материала в любом учебнике, в рамках ограниченного объема газетной публикации решено было этого не делать.

При описании аппаратной части основное внимание уделяется функциональной схеме компьютера (заглавная статья -- “Функциональное устройство компьютера”), поскольку именно она является базой для любой модели компьютера при любом его конструктивном исполнении. В рассматриваемую серию входят статьи о функциональных блоках компьютера: “Процессор”, “Память оперативная”, “Память внешняя” с дополнением “Носители информации”, а также “Устройства ввода-вывода”. Кроме того, в статьях “Шины и интерфейсы” и “Контроллеры” описаны механизмы взаимодействия всех блоков между собой.

Система статей раздела “Компьютер”

Отдельную ветвь образует большая статья “Логические схемы”, которая посвящена описанию логических элементов и схем типовых узлов (регистры, сумматор) на них. Последние служат основой для построения рассмотренных ранее функциональных узлов компьютера.

По тематике, связанной с программным обеспечением, представлена статья “Пользовательский интерфейс”, показывающая эволюцию способов общения между пользователем и ЭВМ.

Наконец, важной частью раздела является еще одна группа статей, освещающих механизм выполнения программы на базе аппаратной части. Сюда входят статьи “Исполнение программы”, “Машинная команда”, “Загрузка ПО” и “Операционная система” с дополнением “Файлы и файловая система”. Из данной серии статей становится понятным, что представляет собой машинная программа, каков основной алгоритм ее выполнения, а также как происходит загрузка ПО при включении машины. Рассказывается также о “главной” компьютерной программе -- операционной системе, которая является важнейшим связующим звеном между аппаратной и программной частями.

1. Аппаратное и программное обеспечение

Собственно компьютер и все его устройства принято называть аппаратным обеспечением. Поскольку компьютер -- это автомат, выполняющий программу (см. “Исполнение программы”), очевидно, что для нормального функционирования аппаратной части требуются еще программы, т.е. программное обеспечение. Аппаратную и программную составляющие часто называют английскими терминами hardware и software соответственно, что подчеркивает гибкость и вариативность (“мягкость”) программной части, за счет которой выпущенный на заводе стандартный компьютер приспосабливается к потребностям конкретного пользователя непосредственно на его рабочем месте.

Очевидно, что наличие ПО позволяет адаптировать одно и то же компьютерное оборудование к потребностям специалистов из самых разнообразных областей. В результате и писатель, и бухгалтер, и инженер-технолог могут пользоваться абсолютно одинаковыми вычислительными машинами. С экономической точки зрения такой подход необычайно продуктивен, поскольку универсальные изделия, выпускаемые в больших количествах, получаются существенно дешевле: легче автоматизировать их производство.

Современный компьютер является воплощением подлинного единства программной и аппаратной части. Не только написание программ без машины лишено практического смысла, но и компьютер без программного обеспечения не более чем дорогое украшение стола. Считается, что роль программной и аппаратной частей примерно одинакова, они должны гармонично соответствовать друг другу. В частности, устанавливаемое на компьютер программное обеспечение должно соответствовать его аппаратным характеристикам, а технические возможности компьютера полностью реализуются только после установки соответствующего ПО (например, многоядерность процессоров сама по себе, без поддержки обновленного программного обеспечения, обещанного подъема производительности не обеспечит).

Оба компонента компьютера необычайно разнообразны по реализации. Так, аппаратная часть образует целые семейства совместимых моделей, причем индивидуальная конфигурация отдельных однотипных машин также может существенно различаться. В нашей стране наибольшее распространение получили компьютеры IBM PC, но это не единственное семейство ПК. Во многих западных университетах, а также в организациях, обрабатывающих мультимедийную информацию, большой популярностью пользуются компьютеры Apple Macintosh. Существуют и другие модели компьютеров.

Еще большим разнообразием отличается программное обеспечение. Тысячи программ на многие случаи жизни уже написаны, но каждый день появляются все новые и новые. Однозначно расклассифицировать такое великое множество разнообразных программ невозможно. Тем не менее, если отбросить второстепенные детали, то удается создать довольно простую классификацию, которая принимается большинством авторов учебной литературы. В соответствии с ней программное обеспечение можно разделить на системное, прикладное и системы программирования.

Системное программное обеспечение является своеобразным программным продолжением аппаратной части. Оно обеспечивает работоспособность самого компьютера и его устройств, а также поддерживает нормальную работу всех остальных видов программ. Эта “вспомогательная” часть ПО хотя и не решает конкретных задач пользователей, но зато создает возможности для их комфортного решения. К данной категории программного обеспечения принадлежит в первую очередь операционная система (см. “Операционная система”). Кроме того, сюда же можно отнести всевозможные программы “технической” направленности: для проверки и обслуживания внешних устройств, сервисные программы, ПО для повышения удобства работы с папками и файлами на дисках и многое другое. Важной частью этой категории ПО являются антивирусные программы.

В настоящее время без минимального набора системного ПО нельзя даже полноценно продемонстрировать, что компьютер и все его внешние устройства работоспособны.

Прикладное программное обеспечение, как следует из названия, предназначено для решения прикладных задач. Оно делится на ПО общего и специального назначения. Первое требуется всем пользователям независимо от их профессии (текстовый и графический редакторы, электронные таблицы, системы управления базами данных, программы для сетевых коммуникаций и т.п.). Второе для каждой области деятельности имеет собственный набор. Такое специализированное программное обеспечение часто называют пакетами прикладных программ. Сюда относятся, например, различные математические пакеты (Maple, MatCad), бухгалтерские (1C, Бест) или многочисленные пакеты обучающих программ.

Именно ради этой группы программного обеспечения в основном и приобретает компьютеры большая часть пользователей.

Системы программирования

Наконец, последняя разновидность программного обеспечения -- системы программирования -- позволяет создавать новые программы. Благодаря этому можно “научить” компьютер выполнять любые действия, в том числе и такие, которые отсутствуют в “готовом” программном обеспечении.

Уточним, что термин “система программирования”, сменивший более ранний “язык программирования”, введен потому, что в комплект современного транслятора обязательно входит целый набор дополнительных программных средств, которые облегчают работу программиста.

Описанная выше классификация является наиболее общей и не претендует на полноту. Тем не менее, для первоначального знакомства она вполне достаточна.

Отдельные наиболее важные аспекты и свойства этих составляющих будут рассмотрены в других статьях данного раздела.

Методические рекомендации

Вопрос о неразрывном единстве аппаратной и программной частей компьютера не случайно выделен в Стандарте. Он является фундаментальным и мировоззренческим, поэтому на уроках ему должно уделяться постоянное внимание. При изучении аппаратного устройства следует всячески подчеркивать роль программного обеспечения в функционировании машины. С другой стороны, используя конкретное программное обеспечение, следует отмечать его опору на те или иные аппаратные особенности устройств. В свете сказанного особое внимание необходимо уделить процессу инсталляции нового программного обеспечения, когда требуется внимательно анализировать соответствие системных требований ПО техническим характеристикам имеющегося компьютера. Следует формировать у учащихся привычку оценивать это соответствие прежде, чем произведенная установка покажет очевидную невозможность практического использования данного ПО. Например, установка на старый компьютер новейшей версии операционной системы будет напрасной тратой времени, и это можно заранее предсказать.

Особо хочется подчеркнуть важность материала статей, связанных с организацией исполнения программы в компьютере (см. “Функциональное устройство компьютера”, “Исполнение программы”, “Машинная команда” и “Загрузка ПО”, “Операционная система”, “Пользовательский интерфейс”). Хотя они и не имеют выраженного прикладного применения, их значение в формировании правильных представлений о компьютере трудно переоценить.

2. Архитектура

Термин “архитектура ЭВМ” является одним из самых неоднозначно используемых. Можно выделить как минимум три наиболее распространенных уровня его применения:

· под архитектурой понимаются любые сведения, относящиеся к устройству ЭВМ (данная трактовка встречается в основном среди пользователей, весьма поверхностно знакомых с устройством ВТ, и авторами серьезной компьютерной литературы не признается);

· архитектура -- это самые общие принципы устройства ЭВМ: функциональные узлы и их связь, механизм исполнения программы, принцип двоичного кодирования команд и обрабатываемых данных и т.д.; именно в этом ключе во многих книгах используется устойчивое сочетание “архитектура фон Неймана”, применимое практически к любой ЭВМ любого поколения (см. “Базовые принципы устройства”);

· наконец, в наиболее узкопрофессиональном смысле термин “архитектура” используется в значении базовые принципы данного программно-совместимого семейства машин, в частности, IBM PC, Apple, PDP или MSX; в настоящей статье принята именно такая трактовка понятия.

“К концу 50-х годов компания IBM, которая лидировала тогда на компьютерном рынке, решила, что производство семейства компьютеров, каждый из которых выполняет одни и те же команды, имеет много преимуществ и для самой компании, и для покупателей. Чтобы описать этот уровень совместимости, компания IBM ввела термин архитектура. Новое семейство компьютеров должно было иметь одну общую архитектуру и много разных разработок, различающихся по цене и скорости, которые могли выполнять одну и ту же программу”4.

Слово “архитектура” в изначальном своем смысле используется в градостроении. Обладая достаточно сложной структурой, современный город состоит из районов, площадей, улиц, домов и т.п., расположенных определенным образом. Жителей города обычно мало интересует, как выглядит конкретный дом и из каких материалов он построен. Зато очень важно знать район, где этот дом расположен, улицы, ведущие к нему, и транспорт, пользуясь которым можно сократить время в пути. Для того чтобы ориентироваться в хитросплетении улиц и площадей, в любом городе существует исторически сложившаяся система названий, а также определенная нумерация домов. Классическим примером продуманной планировки города может служить известная система взаимно перпендикулярных улиц города Нью-Йорка (они называются avenue и street).

Используя аналогию с градостроительством, естественно предположить, что под архитектурой ЭВМ следует понимать основные устройства и блоки ЭВМ, а главное -- структуру связей и способы взаимодействия между ними. И действительно, в “Толковом словаре по вычислительным системам”5 сказано, что данный термин “используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин “архитектура” оказывается ближе к обыденному значению этого слова)”.

К архитектуре относится именно логическое построение вычислительных средств, без учета конкретных деталей их реализации. Вопросы физического построения (элементная база, емкость памяти, тактовая частота) образуют отдельный круг проблем, который принято определять понятием организация6. Архитектура и организация -- это две дополняющие друг друга стороны описания ЭВМ.

Итак, с точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных машин. Как уже отмечалось выше, об архитектуре чаще всего говорят в связи с семействами ЭВМ, т.е. группами моделей, совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы функционирования машин одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по элементной базе, конкретному устройству, производительности, стоимости и другим параметрам. Ярким примером могут служить семейства коллективных ЭВМ третьего поколения IBM-360 и 370, различные модификации компьютеров PDP фирмы DEC (более известные нашим пользователям по “отечественным аналогам” серий ДВК, БК и даже школьному КУВТ УКНЦ), семейство MSX-машин, к которому принадлежала некогда широко распространенная в системе образования “Yamaha”, а также заполнившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры.

Целью явного формулирования основополагающих принципов служит вполне понятное стремление: все машины одного семейства независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя должны быть способны выполнять одну и ту же программу. На практике из-за постоянного роста мощности вычислительной техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших, но не обязательно наоборот.

Из сказанного следует важный вывод, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о строении ЭВМ, а только те,которые могут быть хоть как-то использованы при программировании. Приведем примеры.

Математический сопроцессор исполняет специализированные команды программы, связанные с обработкой вещественных чисел; следовательно, независимо от того, представлен ли он отдельной микросхемой или находится внутри центрального процессора (начиная с Intel 80486), сопроцессор может рассматриваться как составная часть архитектуры IBM PC. Напротив, наличие кэш-памяти “невидимо” для программы: у нее нет адреса, по которому программист мог бы к ней обращаться, -- значит, кэш, строго говоря, к архитектуре не относится.

В первых 16-разрядных микропроцессорах фирмы Intel ради увеличения длины адреса до 20 битов был придуман весьма специфический метод адресации данных в ОЗУ -- сегментный. Его суть заключается в том, что адрес любого байта является суммой содержимого двух 16-битных регистров, причем один из них предварительно сдвинут влево на 4 бита, так что суммарное значение получается 20-разрядным (16 + 4 = 20). Питер Нортон метко назвал данный способ словом “kludge”7 (по-английски это означает приспособление для временного устранения проблемы). Не без некоторой иронии, он написал: “Такой способ адресации более 64 Кб памяти кажется довольно странным, однако он работает”. Современные “интеловские” процессоры, начиная с 80386, стали 32-разрядными, и одним регистром могут адресовать до 4 Гб памяти, что существенно больше и проще, чем при сегментном способе. Последний, очевидно, стал совершенно излишним, но сохраняется ради обеспечения программной совместимости.