Основы информатики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Информация. Свойства информации. Количество информации. Формы представления информации

Термин информация используется во многих науках и во многих сферах человеческой деятельности. Он происходит от латинского слова «informatio», что означает «сведения, разъяснения, изложение». Несмотря на привычность этого термина, строгого и общепринятого определения не существует.

Информация (в информатике) - это сведения, знания, сообщения о положении дел, которые человек воспринимает из окружающего мира с помощью органов чувств (зрения, слуха, вкуса, обоняния, осязания). Наиболее важными являются такие свойства, как дуализм, полнота, достоверность, адекватность, доступность, актуальность. Дуализм информации характеризует ее двойственность. С одной стороны, информация объективна в силу объективности данных, с другой -- субъективна, в силу субъективности применяемых методов. Полнота информации характеризует степень достаточности данных для принятия решения или создания новых данных на основе имеющихся. Достоверность информации -- это свойство, характеризующее степень соответствия информации реальному объекту с необходимой точностью. Адекватность информации выражает степень соответствия создаваемого с помощью информации образа реальному объекту, процессу, явлению. Доступность информации -- это возможность получения информации при необходимости. Актуальность информации. Информация существует во времени, так как существуют во времени все информационные процессы. Свойство полноты информации негласно предполагает, что имеется возможность измерять количество информации. результатом теории информации является вывод о том, что в определенных, весьма широких условиях, можно, пренебрегая качественными особенностями информации, выразить ее количество числом, а следовательно, сравнивать количество информации, содержащейся в различных группах данных. Количеством информации называют числовую характеристику информации, отражающую ту степень неопределенности, которая исчезает после получения информации. За единицу информации принимается один бит (англ. bit -- binary digit -- двоичная цифра). Это количество информации, при котором неопределенность, т.е. количество вариантов выбора, уменьшается вдвое или, другими словами, это ответ на вопрос, требующий односложного разрешения -- да или нет. Широко используются еще более крупные производные единицы информации:

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт,

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт,

1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт,

1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт.

Различают две формы представления информации -- непрерывную и дискретную. Поскольку носителями информации являются сигналы, то в качестве последних могут использоваться физические процессы различной природы. Например, процесс протекания электрического тока в цепи, процесс механического перемещения тела, процесс распространения света и т. д. Информация представляется (отражается) значением одного или нескольких параметров физического процесса (сигнала), либо комбинацией нескольких параметров.

Сигнал называется непрерывным, если его параметр в заданных пределах может принимать любые промежуточные значения. Сигнал называется дискретным, если его параметр в заданных пределах может принимать отдельные фиксированные значения.

2. Информационные процессы. Информация в жизни человечества. Предмет и структура информатики. Информационные технологии

Получение информации тесно связано с информационными процессами, поэтому имеет смысл рассмотреть отдельно их виды.Сбор данных -- это деятельность субъекта по накоплению данных с целью обеспечения достаточной полноты. Соединяясь с адекватными методами, данные рождают информацию, способную помочь в принятии решения. Хранение данных -- это поддержание данных в форме, постоянно готовой к выдаче их потребителю. Обработка данных -- это процесс преобразования информации от исходной ее формы до определенного результата. Сбор, накопление, хранение информации часто не являются конечной целью информационного процесса. \Человечество со дня своего выделения из животного мира значительную часть своего времени и внимания уделяло информационным процессам. На первых этапах носителем данных была память, и информация от одного человека к другому передавалась устно. По мере развития цивилизации, объемы информации, которые необходимо было накапливать и передавать, росли, и человеческой памяти стало не хватать -- появилась письменность. Изобретение письменности характеризует первую информационную революцию. Возникшее противоречие было разрешено созданием печатного станка. Эта веха в истории цивилизации характеризуется как вторая информационная революция (началась в XVI в.). Доступ к информации перестал быть делом отдельных лиц, появилась возможность многократно увеличить объем обмена информацией, что привело к большим изменениям в науке, культуре и общественной жизни. Третья информационная революция связывается с открытием электричества и появлением (в конце XIX в.) на его основе новых средств коммуникации -- телефона, телеграфа, радио. Возможности накопления информации для тех времен стали поистине безграничными, а скорость обмена очень высокой. К середине XX в. появились быстрые технологические процессы, управлять которыми человек не успевал. Появились компьютеры. Наше время отмечается как четвертая информационная революция. Пользователями информации стали миллионы людей.

Появились дешевые компьютеры, доступные миллионам пользователей. Компьютеры стали мультимедийными, т.е. они обрабатывают различные виды информации: звуковую, графическую, видео и др. Это, в свою очередь, дало толчок к широчайшему использованию компьютеров в различных областях науки, техники, производства, быта.

Средства связи получили повсеместное распространение, а компьютеры для совместного участия в информационном процессе соединяются в компьютерные сети. Появилась всемирная компьютерная сеть Интернет, услугами которой пользуется значительная часть населения планеты, оперативно получая и обмениваясь данными, т.е. формируется единое мировое информационное пространство.\ Термин информатика получил распространение с середины 80-х гг. прошлого века. Он состоит из корня inform -- «информация» и суффикса matics -- «наука о...». Таким образом, информатика -- это наука об информации. В англоязычных странах термин не прижился, информатика там называется Computer Science -- наука о компьютерах. Информатика -- молодая, быстро развивающаяся наука, поэтому строгого и точного определения ее предмета пока не сформулировано. Информатика -- это наука, изучающая:

* методы реализации информационных процессов средствами вычислительной техники (СВТ);

* состав, структуру, общие принципы функционирования СВТ;

* принципы управления СВТ.

Из определения следует, что информатика -- прикладная наука, использующая научные достижения многих наук. Методы реализации информационных процессов находятся на стыке информатики с теорией информации, статистикой, теорией кодирования, математической логикой, документоведением и т.д. В изучении состава, структуры, принципов функционирования средств вычислительной техники используются научные положения из электроники, автоматики, кибернетики. В целом этот раздел информатики известен как аппаратное обеспечение (АО) информационных процессов. В разработке методов управления средствами вычислительной техники (а средствами цифровой вычислительной техники управляют программы, указывающие последовательность действий, которые должно выполнить СВТ) используют научные положения из теории алгоритмов, логики, теории графов, лингвистики, теории игр. Этот раздел информатики известен как программное обеспечение (ПО) СВТ.

Информационные технологии (ИТ, от англ. information technology, IT) -- широкий класс дисциплин и областей деятельности, относящихся к технологиям управления и обработки данных, а также создания данных, в том числе, с применением вычислительной техники.

В последнее время под информационными технологиями чаще всего понимают компьютерные технологии. В частности, ИТ имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для хранения, преобразования, защиты, обработки, передачи и получения информации. Специалистов по компьютерной технике и программированию часто называют ИТ-специалистами. Основные черты современных ИТ:

компьютерная обработка информации по заданным алгоритмам;хранение больших объёмов информации на машинных носителях;передача информации на значительные расстояния в ограниченное время.

3. Представление данных. Представление чисел в двоичном коде. Системы счисления

Чтобы работать с данными различных видов, необходимо унифицировать форму их представления, а это можно сделать с помощью кодирования. Кодированием мы занимаемся довольно часто, например, человек мыслит весьма расплывчатыми понятиями, и, чтобы донести мысль от одного человека к другому, применяется язык. Язык -- это система кодирования понятий. Чтобы записать слова языка, применяется опять же кодирование -- азбука. Универсальная система кодирования требуется для того, чтобы большое количество различных видов информации можно было бы обработать на компьютере. Взгляды создателей вычислительной техники были обращены на двоичное кодирование как универсальную форму представления данных для дальнейшей обработки их средствами вычислительной техники. Предполагается, что данные располагаются в некоторых ячейках, представляющих упорядоченную совокупность из двоичных разрядов, а каждый разряд может временно содержать одно из состояний -- 0 или 1. Итак, внутренняя азбука компьютера очень бедна, содержит всего два символа: 0, 1, поэтому и возникает проблема представления всего многообразия типов данных -- чисел, текстов, звуков, графических изображений, видео и др. -- только этими двумя символами, с целью дальнейшей обработки средствами вычислительной техники.

Совокупность приемов записи и наименования чисел называется системой счисления. Числа записываются с помощью символов, и по количеству символов, используемых для записи числа, системы счисления подразделяются на позиционные и непозиционные. Если для записи числа используется бесконечное множество символов, то система счисления называется непозиционной. Примером непозиционной системы счисления может служить римская. Например, для записи числа один используется буква I, два и три выглядят как совокупности символов II, III, но для записи числа пять выбирается новый символ V, шесть -- VI, десять -- вводится символ X, сто -- С, тысяча -- М и т.д.

Бесконечный ряд чисел потребует бесконечного числа символов для записи чисел. Кроме того, такой способ записи чисел приводит к очень сложным правилам арифметики. Позиционные системы счисления для записи чисел используют ограниченный набор символов, называемых цифрами, и величина числа зависит не только от набора цифр, но и от того, в какой последовательности записаны цифры, т.е. от позиции, занимаемой цифрой, например, 125 и 215. Количество цифр, используемых для записи числа, называется основанием системы счисления, в дальнейшем его обозначим q.

Представление чисел в памяти компьютера имеет специфическую особенность, связанную с тем, что в памяти компьютера они должны располагаться в байтах -- минимальных по размеру адресуемых (т.е. к ним возможно обращение) ячейках памяти. Целые числа. Целые положительные числа от 0 до 255 можно представить непосредственно в двоичной системе счисления (двоичном коде). Такие числа будут занимать один байт в памяти компьютера. Действительные числа. Действительные числа в математике представляются конечными или бесконечными дробями, т.е. точность представления чисел не ограничена. Однако в компьютерах числа хранятся в регистрах и ячейках памяти, которые представляют собой последовательность байтов с ограниченным количеством разря- дов. Следовательно, бесконечные или очень длинные числа усекаются до некоторой длины и в компьютерном представлении выступают как приближенные. В большинстве систем программирования в написании действительных чисел целая и дробная части разделяются не запятой, а точкой.

4. Двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная системы счисления. Переход из одной системы счисления в другую

Двоичная система счисления (Бинарная система счисления, binary) -- позиционная система счисления с основанием 2. Для представления чисел используются символы 0 и 1.

Пример (пояснения см. в статье система счисления):

100100112=1 ? 27 + 0 ? 26 + 0 ? 25 + 1 ? 24 + 0 ? 23 + 0 ? 22 + 1 ? 21 + 1 ? 20 = 14710 Чтобы написать какое-нибудь число в двоичной системе, должно делить его последовательно на 2 и писать подряд, справа налево, остатки от деления. Переход от числа, написанного в двоичной системе, к десятичной, совершается простым сложением степеней числа 2, означенных в числе.

Восьмеричная система счисления. В этой системе счисления 8 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Чтобы перевести в двоичную систему, например, число 611 (восьмеричное), надо заменить каждую цифру эквивалентной ей двоичной триадой (тройкой цифр). Легко догадаться, что для перевода многозначного двоичного числа в восьмиричную систему нужно разбить его на триады справа налево и заменить каждую триаду соответствующей восьмеричной цифрой.

Шестнадцатиричная система счисления.

Запись числа в восьмеричной системе счисления достаточно компактна, но еще компактнее она получается в шестнадцатеричной системе. В качестве первых 10 из 16 шестнадцатеричных цифр взяты привычные цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а вот в качестве остальных 6 цифр используют первые буквы латинского алфавита: A, B, C, D, E, F.Перевод из шестнадцатеричной системы в двоичную и обратно производится аналогочно тому, как это делается для восьмеричной системы. Так как десятичная система для нас удобна и привычна, все арифметические действия мы делаем в ней, и преобразование чисел из произвольной недесятичной (q 10) системы в десятичную удобно выполнять на основе разложения по степеням q, например:

11100111(2)= 1 х27+ 1 х26 + 1 х25 + Ох 24 + Ox 23 + 1 х 22 +

+ 1 х 21 + 1 х 2°= 128 + 64 + 32 + 4 + 2 + 1 = 231(10),

или 347(8)= 3 х 82+ 4 х 81 + 7 х 8°= 3 х 64 + 4x8 + 7 = 231(10).

Преобразование из десятичной в прочие системы счисления проводится с помощью правил умножения и деления. При этом целая и дробная части переводятся отдельно.

Рассмотрим алгоритм на примере перевода десятичного числа 231 в двоичную систему (совершенно аналогичен перевод из десятичной системы в любую q-ичную). Разделим число на два (основание системы): нацело 231 : 2 = 115 и остаток 1, т.е. можно записать 231 = 115x21+ 1 х20. Перевод целых чисел в другие системы счисления

Целое число с основанием 10 переводится в систему счисления с основанием 2 путем последовательного деления числа , на основание 2 до получения остатка. Полученные остатки от деления и последнее частное записываются в порядке, обратном полученному при делении. Сформированное число и будет являться числом с основанием N2. Перевод чисел в десятичную систему осуществляется путем составления степенного ряда с основанием той системы, из которой число переводится. Затем подсчитывается значение суммы.

Пример.

а) Перевести 10101101 с.с.

101011012 = 1*2^7+ 0*2^6+ 1*2^5+ 0*2^4+ 1*2^3+ 1*2^2+ 0*2^1+ 1*2^0 = 173

Для перевода правильной десятичной дроби в другую систему счисления нужно эту дробь последовательно умножать на основание той системы, в которую она переводится. При этом умножают только дробные части. Дробь в новой системе счисления записывается в виде целых частей произведения, начиная с первого.

Например, число 0,322(10) перевести в другие системы счисления.

Решение:

0,322*2=0,644 0 0,322*8=2,576 2 0,322*16=5,152 5

0,644*2=1,288 1 0,576*8=4,608 4 0,152*16=2,432 2

0,288*2=0,576 0 0,608*8=4,864 4 0,432*16=9,912 9

0,576*2=1,152 1 0,864*8=6,912 6 0,912*16=14,592 F,

0,152*2=0,304 0

т.е. правильная дробь 0,322(10)= 0,0101(2) = 0,2446(8) = 0,529F(16) . Для перевода восьмеричного числа в двоичную форму достаточно заменить каждую цифру этого числа соответствующим трехразрядным двоичным числом, триадой (см. Табл. 1), при этом отбрасываются ненужные нули в старших и младших разрядах.

Пример.

1) 15568=001 101 101 1102=11011011102.

2) 356,7758=011 101 110, 111 111 1012=11101110,1111111012

Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичную форму достаточно заменить каждую цифры шестнадцатеричной системы четырехразрядным двоичным числом, тетрадой (Табл. 1).

Пример.

3) 28A3E16=0010 1000 1010 0011 11102=1010001010001111102.

4) DE7,9C16=1101 1110 0111,1001 11002=110111100111,100111002.

Перевод из шестнадцатеричной в восьмеричную систему осуществляется через двоичную систему с помощью триад.

Пример.

4C1,2F416 = 0100 1100 0001, 0010 1111 01002;

010 011 000 001, 001 011 110 1002 = 2301,13648.

5. Форматы представления чисел с плавающей запятой, двоичная арифметика. Понятие дискретизации, выполнение арифметических операций с числами с фиксированной и плавающей запятой

Число 0,028 можно записать так: 28·10-3, или 2,8·10-2, или 0,03 (с округлением) и т. д. В компьютере используются две формы представления чисел.

Представление чисел с фиксированной запятой (точкой). Оно характеризуется тем, что положение разрядов числа в машинном изображении остается всегда постоянным независимо от величины самого числа.\ Двоичная арифметика

В выполнении арифметических действий всегда участвуют два числа или более. В результате арифметической операции появляется новое число:

С = A N B,

где N -- знак арифметического действия (сложение, вычитание, умножение, деление).

Операнд -- число, участвующее в арифметической операции, выполняемой цифровым автоматом.

Так как цифровой автомат оперирует только машинными изображениями

[C] = [A] N [B],

где [ ] -- обозначение машинных изображений операндов.

Рассмотрим формальные правила двоичной арифметики операций сложения и вычитания на уровне разрядов операндов. На основе правил двоичной арифметики можно записать правила сложения и вычитания на уровне разрядов операндов.

На основе правил двоичной арифметики можно записать правила сложения двоичных цифр так, как показано в табл. 1, где ai, bi -- разряды операндов A и B соответственно; ci -- результат сложения (сумма); Пi -- перенос из данного разряда в соседний старший.

Двоичный полусумматор -- устройство, выполняющее арифметические действия по правилам/

Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке [а, Ь] (см. рис. 1.4). Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискрет-ное (такая процедура называется дискретизацией). Для этого из бесконечного множества значе-ний этой функции (параметра сигнала) выбирается их определенное число, которое приближенно может характеризовать остальные значения.\

Выполнение арифметических операций с числами с фиксированной и плавающей запятой

Операция сложения чисел в прямом, обратном и дополнительном кодах выполняется на двоичных сумматорах соответствующего кода. Двоичный сумматор прямого кода (ДСПК) -- суматор, в котором отсутствует цепь поразрядного переноса между старшим цифровым и знаковым разрядами, поэтому на ДСПК складываются числа, имеющие одинаковые знаки; сумма чисел имеет знак любого из слагаемых.

Двоичный сумматор дополнительного кода (ДСДК) -- сумматор, оперирующий изображениями чисел в дополнительном коде и имеющий цепь поразрядного переноса из старшего цифрового в знаковый разряд. Правила сложения на ДСДК основаны на следующей теореме: сумма дополнительных кодов есть дополнительный код результата.

Двоичный сумматор обратного кода (ДСОК) -- сумматор, оперирующий изображениями чисел в обратном коде и характеризующийся наличием цепи циклического переноса из знакового разряда в младший разряд числа. Правила сложения на ДСОК основаны на следующей теореме: сумма обратных кодов есть обратный код результата.

При сложении чисел одинакового знака, представленных в формате с фиксированной запятой, может возникнуть переполнение разрядной сетки. Признаком переполнения разрядной сетки ДСПК является появление единицы переноса из старшего разряда цифровой части числа. Признаком переполнения разрядной сетки ДСДК и ДСОК является знак результата, противоположный знаку операндов.

Умножение чисел, представленных в формате с фиксированной запятой, осуществляется на двоичных сумматорах прямого, обратного и дополнительного кодов.

Существует несколько методов получения произведения двух чисел, все они дают результаты одинаковой точности, но требуют различных аппаратных затрат. Наиболее распространен метод, по которому произведение получается по следующей схеме: A = 0, a1 a2 ... an -- множимое, а B = 0, b1 b2 ... bn = (... (((bn x 2-1 + bn-1) x 2-1 + bn-2) x 2-1 + ... b2) 2-1 + b1) 2-1 -- множитель, произведение равно С = A x B = (...((bn x 0.a1 ... an) 2-1 + bn-1 x 0.a1 a2 ... an) 2-1 + ... + b1 x 0.a1 a2 ... an) 2-1,

что означает, что умножение начинается с младших разрядов множителя и на каждом шаге сдвигается вправо сумма частных произведений.

6. Математические основы информатики. Алгебра высказываний (булева алгебра). Элементы теории множеств. Элементы теории графов

Как было отмечено ранее, информатика -- прикладная наука, находящаяся на стыке многих наук. Вместе с тем она опирается на спектр разделов такой фундаментальной науки, как математика. Наиболее важное прикладное значение для информатики имеют булева алгебра, используемая в разработке алгоритмов программ и в синтезе цифровых устройств, теория множеств и теория графов, используемые в описании различных структур.\

Основное понятие булевой алгебры -- выказывание. Под простым высказыванием понимается повествовательное предложение, о котором можно сказать, истинно оно или ложно (третьего не дано). Высказывания обозначаются латинскими буквами и могут принимать одно из двух значений: ЛОЖЬ (обозначим 0) или ИСТИНА (обозначим 1). Например, содержание высказывания А: «дважды два равно четырем» истинно А = 1, а высказывание В: «три больше пяти» всегда есть ЛОЖЬ. Сложное высказывание можно построить из простых с помощью логических операций: отрицания, конъюнкции, дизъюнкции, импликации и логических выражений, представляющих собой комбинации логических операций. Операцией отрицания А называют высказывание А (или -А, говорят не А), которое истинно тогда, когда А ложно, и ложно тогда, когда А истинно. Конъюнкцией (логическим умножением) двух высказываний А и В является новое высказывание С, которое истинно только тогда, когда истинны оба высказывания, записывается С = А л В или С = А & В. Дизъюнкцией (логическим сложением) двух высказываний А и В является новое высказывание С, которое истинно, если истинно хотя бы одно высказывание. Записывается С = A v В (при этом говорят:

С равно А ИЛИ В). Импликацией двух высказываний А (А называется посылкой) и В (В называется заключением) является новое высказывание С, которое ложно только тогда, когда посылка истинна, а заключение ложно, записывается С = А --> В (при этом говорят: из А следует В). Эквиваленцией двух высказываний А и В является новое высказывание С, которое истинно только тогда, когда оба высказывания имеют одинаковые значения истинности, записывается

С = А <-» В (.С = А = В)

Множеством называется любое объединение определенных вполне различимых объектов; их может и не быть вообще. Можно говорить о множестве точек на отрезке [0,1], множестве студентов в группе, множестве снежных дней в июле на экваторе, т.е. множество образуют любые объекты, объединенные по любому признаку. Объекты, составляющие множество, называются элементами множества. Множество, не имеющее ни одного элемента, называется пустым, оно обозначается 0. Множество, состоящее из конечного числа элементов, называется конечным, в противном случае -- бесконечным. Два множества считаются равными, если состоят из одних и тех же элементов; записывается этот факт А = В.

Множество А, называется подмножеством А (записывается А,сА), если все элементы множества А1 являются элементами А. Для множеств определены следующие операции: объединение, пересечение, дополнение. Объединением множеств А и В (записывается AuB) называется множество, состоящее из элементов как одного, так и второго множества. Например, А и В -- множества точек, принадлежащих некоторым двум кругам, имеющим общие точки, тогда объединением AuB будет фигура, состоящая из общих точек. Пересечением множеств А и В (записывается АпВ) называется множество, состоящее из элементов, принадлежащих как одному, так и второму множеству одновременно. Дополнением множества А до В называется множество, состоящее из элементов множества В, не принадлежащих А. Дополнение обозначается А = В-А \

Элементы теории графов

Основные понятия

Граф задается парой множеств: множества Е, называемого

множеством вершин, и множества U, называемого множеством ребер.

Ребро u g U есть пара (е., е.), где е., е. g Е , указывающая, между какими двумя вершинами проведено ребро. Говорят, что ребро ug U инцидентно вершинам е., е.. Если порядок ребер не имеет значения, т.е. и = (е., е.) = (е., е.), то ребро называется неориентированным или просто ребром, если же порядок имеет значение, то ребро и = (е., е.) называется ориентированным ребром или дугой. Вершина е. -- называется началом дуги, е. -- конец дуги. Граф, содержащий хотя бы одну дугу, называется ориентированным графом или орграфом.

Граф G(E,U) называется конечным, если множество Е вершин конечно.

Граф G(E,U), у которого любые две вершины соединены ребром, называется полным. Если хотя бы две вершины соединены несколькими ребрами, то такой граф называется мулътиграфом. Две вершины е., e.G E называются смежными, если они соединены ребром.

Число ребер, инцидентных данной вершине е., называется локальной степенью этой вершины р(е.). Число ребер г графа G(E,U) определяется выражением

г = ~У.Р(е{),

где п -- количество вершин в графе. Компонентой связности графа называется подмножество его вершин с инцидентными им ребрами, такое, что любая вершина связана с любой другой вершиной маршрута.

7. Архитектура современной вычислительной техники Компьютер - это электронное устройство, которое выполняет операции ввода информации, хранения и обработки ее по определенной программе, вывод полученных результатов в форме, пригодной для восприятия человеком. За любую из названных операций отвечают специальные блоки компьютера:

устройство ввода,

центральный процессор,

запоминающее устройство,

устройство вывода.

Аппаратное обеспечение

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры и вычислительные комплексы имеют блочно-модульную конструкцию -- аппаратнуюконфигурацию, необходимую для исполнения конкретных видов работ, можнособирать из готовых узлов и блоков.

Программное обеспечение

Программы -- это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы -- управление аппаратными средствами Базовый уровень. Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами Системный уровень. Системный уровень -- переходный В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская (фон Неймана) и гарвардская. Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных. Основные составные части типичного персонального компьютера: 1 -- Монитор, 2 -- Материнская плата, 3 -- Центральный процессор, 4 -- Оперативная память, 5 -- Карты расширений, 6 -- Блок питания, 7 -- Оптический привод, 8 -- Жесткий диск, 9 -- Компьютерная мышь, 10 -- Клавиатура. Системная плата или на компьютерном жаргоне - материмнская пламта-- это сложная многослойная печатная плата, на которой устанавливаются основные компоненты персонального компьютера Центрамльный процемссор-- электронный блок либо микросхема -- исполнитель машинных инструкций), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Оператимвная паммять-- энергозависимая часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся данные и команды, необходимые процессору для выполнения им операции. Видеокарта - устройство, преобразующее изображение, находящееся в памяти компьютера в видеосигнал для монитора. Современные видеокарты не ограничиваются простым выводом изображений. Звуковая карта - - плата расширения, которая производит преобразование звука из аналоговой формы в цифровую. Сетевая карта - - плата расширения, позволяющая ПК взаимодействовать с другими устройствами сети. Вторичный источник электропитания -- это устройство, предназначенное для обеспечения питания электроприбора электрической энергией, при соответствии требованиям её параметров: напряжения, тока, и т. д. путём преобразования энергии других источников питания. Накопимтель на жёстких магнимтных димсках жёсткий диск, в компьютерном сленге «винчемстер», «винт», «хард», «харддиск» -- устройство хранения информации, основанное на принципе магнитной записи

8. Булева алгебра и логические схемы компьютера

Алгебра высказываний (булева алгебра)

Основные понятия

Основное понятие булевой алгебры -- выказывание. Под простым высказыванием понимается повествовательное предложение, о котором можно сказать, истинно оно или ложно (третьего не дано).

Высказывания обозначаются латинскими буквами и могут принимать одно из двух значений: ЛОЖЬ (обозначим 0) или ИСТИНА (обозначим 1). Например, содержание высказывания А: «дважды два равно четырем» истинно А = 1, а высказывание В: «три больше пяти» всегда есть ЛОЖЬ. В дальнейшем нас не будет интересовать содержательная часть высказываний, а только их истинность. Два высказывания А и В называются равносильными, если они имеют одинаковые значения истинности, записывается А = В. Одним из преимуществ двоичного представления являлось и то, что для проектирования устройств можно было использовать мощный аппарат алгебры логики -- булевых функций. При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций.

Одним из таких базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рис. 2.2 показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица -- высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.

9. Элементы организации основных блоков компьютера

ЦПУ - центральное процессорное устройство.

Арифметико - логическое устройство (АЛУ) - для арифметических вычислений и принятия логических решений.Запоминающее устройство (ЗУ) служит для хранения информации.Устройство управления (УУ) - координация различных блоков ЭВМ.

АЛУ, ЗУ, УУ, устройства ввода/вывода нельзя отнести к категории только технического обеспечения, поскольку в них присутствует и программное. Такие составные части компьютера будем называть системами.

Система - совокупность элементов, подчиняющихся единым функциональным Требованиям. Принцип открытой архитектуры - состоит в обеспечении возможности переносимости прикладных программ между различными платформами и обеспечения взаимодействия систем друг с другом. Эта возможность достигается за счет использования международных стандартов на все программные и аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Это позволяет, во-первых, выполнять модернизацию ПК (upgrade), дополняя его новыми элементами и заменяя устаревшие блоки, во-вторых, дает возможность пользователю составлять самостоятельно структуру своего ПК в зависимости от конкретных целей и задач.

Структура компьютера - некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

состав и назначение основных блоков. ПК состоит из системного блока и периферийного оборудования.Системный блок - корпус, в котором размещены основные электронные компоненты или модули ПК. Корпуса бывают двух основных разновидностей:-вертикального расположения (tower - башня) разновидности: baby-tower, mini-tower, midi-tower,big-tower. горизонтальногорасположения(desktop)

В состав системного блока входят:

-системная (или материнская) плата (motherboard) с расположенными на ней электронными компонентами, платами и разъемами;

-накопители или приводы для сменных накопителей;

-блок питания. Системная (материнская плата)

Материнская плата предназначена для размещения или подключений всех остальных внутренних устройств компьютера - служит своеобразной платформой, на базе которой строится конфигурация всей системы.

Тип и характеристики различных элементов и устройств материнской платы, как правило, определяется типом и архитектурой центрального процессора. На материнской плате располагаются:

1. Наборы

Больших однокристальных электронных микросхем-чипов (центральный процессор, чипсет, интегрированные контроллеры устройств и их интерфейсы).

2. Микросхемы памяти и разъемы их плат.

3. Микросхемы электронной логики.

4. Разъемы системной шины (стандартов ISA, EISA, VESA, PCI и др.)

5. Простые радиоэлементы (транзисторы, конденсаторы, сопротивления и др.).

6. Слоты для подключения плат расширений (видеокарт или видеоадаптеров, звуковых карт, сетевых карт, интерфейсов периферийных устройств IDE, EIDE, SCSI...).

7. Разъемы портов ввода/вывода (COM, LPT, USB, PS/2 и др.)

10. Архитектурная организация процессора. Организация памяти компьютера. Классификация компьютеров по сферам применения

точки зрения программиста, под архитектурой процессора понимается совместимость с определённым набором команд (например, процессоры, совместимые с командами Intel х86) их структуры (например, систем адресации или организации регистровой памяти) и способа исполнения (например, счетчик команд). С точки зрения специалиста по «железу», архитектура процессора -- это некий набор свойств и качеств, присущий целому семейству процессоров, как правило, выпускаемому в течение многих лет (иначе говоря -- «внутренняя конструкция», «организация» этих процессоров). Имеются различные классификации архитектур процессоров, как по организации (например, по количеству и скорости выполнения команд: RISC, CISC), так и по назначению (например, специализированные графические). Архитектура простых многопроцессорных систем выполняется по схеме с общей шиной. Два или более процессоров и один или несколько модулей памяти размещены на общей шине. Каждый про- цессор, для обмена с памятью, проверяет, свободна ли шина, и, если она свободна, он занимает ее. Если шина занята, процессор ждет, пока она освободится. При увеличении числа процессоров производительность системы будет ограничена пропускной способностью шины. Чтобы решить эту проблему, каждый процессор снабжается собственной локальной памятью (рис. 2.13), куда помещаются тексты исполняемых программ и локальные переменные, обрабатываемые данным процессором. Общее запоминающее устройство используется для хранения общих переменных и общего системного программного обеспечения. При такой организации нагрузка на общую шину значительно снижается. Один из процессоров выделяется для управления всей системой. Он распределяет задания на исполнение программ между процессорами и управляет работой общей шины. Периферийный процессор осуществляет обслуживание внешних устройств при вводе и выводе информации из общей памяти. Он может быть того же типа, что и остальные процессоры, но обычно устанавливается специализированный процессор, предназначенный

Наиболее часто при выборе компьютера для той или иной сферы применения используется такая характеристика, как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютером для решения той или иной задачи. По производительности компьютеры можно условно разбить на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры. Суперкомпьютеры -- компьютеры с производительностью свыше 100 млн операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как моделирование физических процессов, гидрометеорология, кос- мические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Мэйнфреймы -- компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн операций в секунду . Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой торговыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с общей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Микрокомпьютеры -- компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производительность до 10 млн. операций в секунду.

11. Функциональная организация персонального компьютера. Центральный процессор. Оперативное запоминающее устройство. Внешние запоминающие устройства. Внешние устройства

Архитектура компьютера обычно определяется совокупностью её свойств, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям машины, которые может разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективный режимы её работы, диалог с пользователем. Высокую надёжность и др. Названные функции ЭВМ реализуются с помощью её компонентов: аппаратных и программных средств.

Структура компьютера - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в неё компонентов.

Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Персональный компьютер в своем составе содержит следующие основные элементы:

микропроцессор;

системную шину;

основную память;

внешнюю память;

порты ввода-вывода внешних устройств;

адаптеры устройств;

внешние устройства.

Центральный процессор - основной рабочий компонент компьютера, который:

- выполняет арифметические и логические операции, заданные программой;

- управляет вычислительным процессом; и

- координирует работу всех устройств компьютера.

В общем случае центральный процессор содержит:

- арифметико-логическое устройство;

- шины данных и шины адресов;

- регистры;

- счетчики команд;

- очень быструю кэш-память малого объема;

- математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Оперативное запоминающее устройство, ОЗУ -- техническое устройство, реализующее функции оперативной памяти.

ОЗУ может изготавливаться как отдельный блок или входить в конструкцию, например однокристальной ЭВМ или микроконтроллера. Это своеобразный конвейер, который поставляет данные центральному процессору и принимает их после обработки. Оперативная память относится к типу энергозависимых запоминающих устройств. После выключения компьютера все данные, содержащиеся в оперативной памяти, стираются, поэтому малоопытные пользователи не должны забывать сохранять важные документы на жестком диске или других запоминающих устройствах, независимых от подачи энергии. Но зато чтение и запись информации в оперативную память происходит намного быстрее, чем, например, на жесткий диск. Поэтому объем оперативной памяти и скорость её работы оказывают существенное влияние на быстродействие компьютера в целом. Внешнее запоминающее устройство - (относительно) медленное запоминающее устройство большой емкости. Целостность содержимого ВЗУ не зависит от того, включен или выключен компьютер.

Внешними запоминающими устройствами являются:

- накопители на жестких магнитных дисках;

- накопители на гибких магнитных дисках;

- накопители на компакт-дисках;

- накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

- накопители на магнитной ленте и др. Внешние запоминающие устройства. Эти устройства обеспечивают хранение больших массивов информации. Они относительно недороги, но обладают значительно меньшим быстродействием, чем устройства внутренней памяти ЭВМ. Наиболее широкое распространение получили ВЗУ на магнитных носителях (лентах и дисках).

Магнитная лента (МЛ) - это эластичная основа из пластмассового материала, на которую наносится магнитное покрытие. Магнитные диски могут быть жесткими и гибкими. Жесткие магнитные диски изготавливаются из алюминиевых сплавов и покрываются ферролаком или металлической пленкой на основе никеля, кобальта, вольфрама.

Гибкие магнитные диски (ГМД) создаются на пластмассовой основе с магнитным покрытием. Накопители на гибких дисках служат для хранения программ и данных небольшого объема и удобны для перенесения информации с одной ПЭВМ на другую. Накопители на жестких магнитных дисках ("винчестер") содержат несколько дисков, объединенных в пакет. Чаще всего такой пакет включает 4-6 дисков диаметром 5,25 или (в портативных ПЭВМ) 3 дюйма. НЖМД является несменяемым, располагается внутри системного блока. Стриммер - это устройство для быстрой перезаписи данных с жесткого диска на магнитную ленту. Обычно емкость стриммера колеблется от 80 до 525 Мбайт.

В последние годы появились устройства для хранения информации на оптических (лазерных) дисках» Их емкость измеряется гигабайтами и даже десятками гигабайт, однако в большинстве случаев такие диски не допускают перезаписывания, поэтому используются для хранения постоянной информации (например, сложных компьютерных игр с высокоразвитой графикой). Периферией называются все внешние дополнительные устройства, подключаемые к системному блоку компьютера через специальные разъёмы.

По назначению периферийные устройства можно подразделить на:

устройства ввода данных;

устройства вывода данных;

устройства хранения данных;

устройства обмена данными.

Устройства ввода данных

Клавиатура;

Мышь, трекбол или тачпад;

Джойстик;

Сканер;

Графический планшет (дигитайзер).

12. Системное программное обеспечение. Базовое программное обеспечение

Системмное программмное обеспечемние -- это комплекс программ, которые обеспечивают эффективное управление компонентами вычислительной системы, такими как процессор, оперативная память, каналы ввода-вывода, сетевое оборудование, выступая как «межслойный интерфейс» с одной стороны которого аппаратура, а с другой приложения пользователя. В отличие от прикладного программного обеспечения, системное не решает конкретные прикладные задачи, а лишь обеспечивает работу других программ, управляет аппаратными ресурсами вычислительной системы и т.д. Системное (базовое) ПО - программное обеспечение, включающее в себя операционные системы, сетевое ПО, сервисные программы, а также средства разработки программ (трансляторы, редакторы связей, отладчики и пр.).

Основные функции операционных систем (ОС) заключаются в управлении ресурсами (физическими и логическими) и процессами вычислительных систем. Физическими ресурсами являются: оперативная намять, процессор, монитор, печатающее устройство, магнитные и оптические диски. К логическим ресурсам можно отнести программы, файлы, события и т. д. Под процессом понимается некоторая последовательность действий, предписанная соответствующей программой и используемыми ею данными.

В настоящее время существует большое количество ОС, разработанных для ЭВМ различных типов. На ЭВМ Единой Системы (ЕС ЭВМ), например, используются такие операционные системы, как СВМ и ОС ЕС, на малых ЭВМ (СМ-4, СМ-1420 и др.) - ОС РВ и RSX-11 М, на ПЭВМ - DOS 6.22, Windows 95, Windows NT, Unix, OS/ 2 \

Базовое программное обеспечение содержится в составе базового аппаратного обеспечения и сохраняется в специальных микросхемах постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), образуя базовую систему ввода-вывода BIOS. Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время эксплуатации.

Базовое ПО, или BIOS, представляет программа, которая отвечает за управление всеми компонентами, установленными на материнской плате. Фактически BIOS является неотъемлемой составляющей системной платы и поэтому может быть отнесена к особой категории компьютерных компонентов, занимающих промежуточное положение между аппаратурой и программным обеспечением. Аббревиатура BIOS расшифровывается как Basic Input/Output System -- базовая система ввода/вывода. Раньше в системе IBM PC. основным назначением BIOS была поддержка функций ввода-вывода за счет предоставления ОС интерфейса для взаимодействия с аппаратурой. В последнее время ее назначение и функции значительно расширились. Второй важной функцией BIOS является процедура тестирования (POST -- Power On Self Test) всего установленного на материнской плате оборудования (за исключением дополнительных плат расширения), проводимая после каждого включения компьютера. В процедуру тестирования входят:

* проверка работоспособности системы управления электропитанием;

* инициализация системных ресурсов и регистров микросхем;

* тестирование оперативной памяти;

* подключение клавиатуры;

* тестирование портов;

* инициализация контроллеров, определение и подключение жестких дисков.

13. Операционные системы. Ввод-вывод. Драйверы устройств

Операционная система предназначена для того, чтобы скрыть от пользователя все эти сложности. Этот уровень АПС является программным обеспечением, управляющим всеми электронными компонентами компьютера, распределяющим его ресурсы, организующим вычислительный процесс и предоставляющим пользователю удобный интерфейс, избавляющий его от необходимости непосредственного общения с аппаратурой. Действие чтения файла в этом случае становится намного более простым, чем когда нужно заботиться о перемещении головок диска, ждать, пока они установятся на нужное место, и т. д.

Над ОС в структуре аппаратно-программных средств компьютера расположены остальные системные программы. Здесь находятся интерпретатор команд, системы окон, компиляторы и редакторы кода. Компиляторы -- это ПО, переводящее программу с языка программирования высокого уровня на машинный язык. После этого программа записывается в ОЗУ и затем выполняется. Интерпретаторы -- это ПО, переводящее операторы программы на машинный язык по очереди и немедленно выполняющее их. Очень важно понимать, что такие программы не являются частью ОС. Под операционной системой обычно понимается то программное обеспечение, которое запускается в режиме ядра и защищается от вмешательства пользователя с помощью аппаратных средств. А компиляторы и редакторы запускаются в пользователь-ском режиме. Если пользователю не нравится какой-либо компилятор, он может выбрать другой или написать свой собственный, но он не может написать свой собственный обработчик прерываний, являющийся частью операционной системы и защищенный аппаратно от попыток его модифицировать. Во многих ОС есть программы, которые работают в пользовательском режиме. Они помогают операционной системе выполнять специализированные функции. Например, программы, позволяющие пользователям изменять свои пароли. Эти программы не являются частью ОС и запускаются не в режиме ядра, но выполняемые ими функции влияют на работу системы. Такие программы также защищаются от воздействия пользователя. Операционные системы выполняют две основные функции -- расширение возможностей машины и управление ее ресурсами. Программа, скрывающая истину об аппаратном обеспечении и представляющая простой список файлов, которые можно читать и записывать, называется операционной системой. Операционная система не только устраняет необходимость работы непосредственно с дисками и предоставляет простой, ориентированный на работу с файлами интерфейс, но и скрывает множество неприятной работы. с прерываниями, счетчиками времени, организацией памяти и другими низкоуровневыми элементами. В каждом случае процедура, предлагаемая ОС, намного проще и удобнее в обращении, чем те действия, которые требует выполнить основное оборудование.

Одной из важнейших функций ОС является управление устройствами ввода-вывода компьютера. Операционная система дает этим устройствам команды, перехватывает прерывания и обрабатывает ошибки. Она должна обеспечить простой и удобный интерфейс между устройствами и остальной частью системы. Интерфейс должен быть одинаковым для всех устройств с целью достижения независимости от применяемой аппаратуры. Программное обеспечение ввода-вывода составляет существенную часть операционной системы. Устройства ввода-вывода можно разделить на две категории: блочные устройства и символьные устройства. Блочные устройства хранят информацию в виде блоков фиксированного размера, причем у каждого блока имеется свой адрес. Размеры блоков колеблются от 521 до 32 768 байт. Важное свойство блочного устройства состоит в том, что каждый его блок может быть прочитан независимо от остальных блоков. Наиболее распространенными блочными устройствами являются диски. Другой тип устройств ввода-вывода -- символьные устройства. Символьное устройство принимает или предоставляет поток неструктурированных символов. Оно не является адресуемым и не выполняет операцию поиска. Принтеры, сетевые адаптеры, мыши и большинство других устройств, не похожих на диски, можно считать символьными устройствами. Устройства ввода-вывода обычно состоят из механической и электронной частей. Механический компонент находится в самом устройстве. Электронный компонент устройства называется контроллером или адаптером.

Программа управления диском должна знать о секторах, дорожках, цилиндрах, головках, их перемещении и времени установки, двигателях и тому подобных вещах, необходимых для правильной работы диска. Очевидно, что эти программы управления будут сильно различаться. Такая программа управления каждым устройством ввода-вывода, подключенным к компьютеру, называется драйвером устройства. Она обычно пишется производителем и распространяется вместе с устройством. Поскольку для каждой ОС требуются специальные драйверы, производители устройств обычно поставляют драйверы для нескольких наиболее популярных операционных систем. Каждый драйвер устройства поддерживает один тип устройства или, максимум, класс близких устройств. Например, драйвер дисков может поддерживать различные диски, отличающиеся размерами и скоростями. Однако мышь и джойстик отличаются настолько сильно, что обычно требуют использования различных драйверов. Операционная система обычно классифицирует драйверы по нескольким категориям в соответствии с типами обслуживаемых ими устройств. К наиболее общим категориям относятся блочные устройства, например, диски, содержащие блоки данных, к которым возможна независимая адресация, и символьные устройства, такие как клавиатуры и принтеры, формирующие или принимающие поток символов.