Теоретические основы информатики

Объем информации, которая может быть сейчас сохранена на компакт-диске, составляет 650-700 Мб, на DVD -- около 10 Гб. Совершенно очевидно, что быстро развивающиеся мультимедийные компьютерные приложения не удовлетворятся такими значениями и будут стимулировать увеличение объема.

Методические рекомендации

Данный материал предназначен для совместного рассмотрения с вопросом о внешних устройствах, т.к. является его неотъемлемой частью. Он был выделен в качестве самостоятельного исключительно из-за своего практического значения.

Рассмотрение машинных носителей информации хорошо сочетается с решением задач по оценке объемов информации, которые могут быть на них размещены. Интересно, например, взять компакт-диск к какой-нибудь книге, данные на котором занимают очень незначительную часть диска, и оценить “коэффициент использования” объема носителя. В тех школах, где есть пишущие оптические приводы, полезно и занимательно обратить внимание учеников на неожиданно существенное уменьшение оставшегося свободного места после записи нескольких коротких сессий. Секрет заключается в том, что каждая сессия заканчивается служебной информацией, объем которой превышает 10 Мб.

Для того чтобы сделать урок по изучению такого материала интереснее, учителям можно порекомендовать подобрать всевозможные старые носители информации (перфокарты, перфоленты, гибкие 5- или даже 8-дюймовые дискеты и т.д.); в крайнем случае можно ограничиться их фотографиями. Кроме того, стоит следить за материалами периодических компьютерных изданий или заслуживающих доверие интернет-сайтов. Это даст возможность сопроводить изложение самыми современными примерами достижений в области хранения машинной информации.

кодирование язык аппаратный программный компьютер

10. Операционная система

Операционная система -- это важнейшая часть системного программного обеспечения, которая организует процесс выполнения задач на ЭВМ, распределяя для этого ресурсы машины, управляя работой всех ее устройств и взаимодействием с пользователем. Иными словами, это своеобразный администратор компьютера, распределяющий его ресурсы так, чтобы пользователь мог решать свои задачи максимально эффективно. (Ресурсами компьютера являются процессорное время, память всех видов, устройства ввода/вывода, программы и данные.)



Роль операционной системы (ОС) можно наглядно представить себе с помощью следующей схемы. В центре ее изображен собственно компьютер, точнее, его аппаратная часть. Внешней оболочкой является разнообразное программное обеспечение, позволяющее пользователям решать свои прикладные задачи. ОС организует совместную работу двух указанных составляющих. Дополнительный слой нужен, поскольку невозможно заложить в аппаратную часть информацию обо всех существующих внешних устройствах; кроме того, новое устройство может быть изобретено уже после изготовления компьютера! Отсюда очевидно, что загружаемая (а следовательно, изменяемая) программная часть, обеспечивающая работу компьютерной аппаратуры, совершенно необходима.

Существование операционной системы очень облегчает разработку нового программного обеспечения. Все наиболее часто встречающиеся при работе с аппаратной частью задачи сконцентрированы в ОС. Поэтому программисту уже не требуется заботиться об отдельных технических деталях -- достаточно просто обратиться к соответствующей функции операционной системы. Приведем простой частный пример. Если бы об этом не заботилась ОС, каждая программа должна была бы самостоятельно проверять наличие дискеты в дисководе при записи информации или факт подключения принтера перед печатью на бумагу. И таких ситуаций существует великое множество.

Но наличие операционной системы удобно не только программисту, но и пользователю. Поскольку на современных компьютерах диалог с ним ведется именно средствами ОС, то интерфейс во всех программах получается примерно одинаковым (см. “Пользовательский интерфейс”). Поэтому, освоив управление несколькими программами в современной ОС типа Windows, пользователь может довольно быстро научиться работать даже с совершенно новой для него программой.

Таким образом, мы видим, что операционная система решает целый комплекс важных задач по управлению компьютером. ОС современного компьютера выполняет следующие функции.

· Организация согласованного выполнения всех процессов в компьютере. Планирование работ, распределение ресурсов.

· Организация обмена с внешними устройствами. Хранение информации и обеспечение доступа к ней, предоставление справок (см. “Файлы и файловая система”).

· Запуск и контроль прохождения задач пользователя.

· Контроль за нормальным функционированием оборудования. Реакция на ошибки и аварийные ситуации.

· Обеспечение возможности доступа к стандартным системным средствам (программам, драйверам, к информации о конфигурации и т.п.).

· Обеспечение общения с пользователем (см. “Пользовательский интерфейс”).

· Сохранение конфиденциальности информации в многопользовательских системах (см. раздел 8).

Операционные системы появились не сразу -- на первых машинах в них не было необходимости. Толчком к созданию ОС послужило появление магнитных дисков (достаточно сложных в программном обслуживании устройств), а также необходимость повышать эффективность работы машин коллективного пользования: поддержка одновременного выполнения нескольких заданий и связанное с этим разделение между ними ресурсов, включая время счета. Первые управляющие программы для пакетной обработки заданий появились в конце второго поколения, а большие многопользовательские ЭВМ третьего поколения без ОС уже фактически не использовались.

Первые операционные системы для микро ЭВМ четвертого поколения (CP/M, MS-DOS, Unix) вели диалог с пользователем на экране текстового дисплея. Это был в полном смысле слова диалог, в ходе которого человек и компьютер по очереди обменивались сообщениями. Такие системы в литературе принято называть ОС с командной строкой (см. “Пользовательский интерфейс”).

Очевидно, что подобный способ общения не очень удобен для человека, поскольку требует постоянно держать в голове жесткий синтаксис всех допустимых команд и очень внимательно их вводить. Поэтому почти сразу же стали появляться сервисные системные программы, тем или иным способом облегчающие работу с ОС. Наиболее ярким примером таких программ-оболочек может служить широко известный Norton Commander, который был настолько распространен, что многие пользователи искренне считали его частью системы MS-DOS.

Развитие графических возможностей дисплеев привело к коренному изменению принципов взаимодействия человека и компьютера. Командная строка была вытеснена графическим интерфейсом, когда объекты манипуляций ОС изображаются в виде небольших рисунков, а необходимые действия тем или иным образом выбираются из предлагаемого машиной списка -- так называемого “меню”. При подобном методе диалога набор текста полностью отсутствует. Существенным дополнением к графическому способу ведения диалога явилось появление нового устройства ввода информации в компьютер -- манипулятора “мышь”, без которого сейчас просто невозможно представить современный компьютер. Примерами операционных систем с графическим интерфейсом служат довольно похожие ОС: Mac OS, OS/2 и Windows. Семейство ОС Unix, будучи классическим образцом систем с командной строкой, в настоящее время приобрело мощные графические надстройки типа KDE, Gnome и другие, что также сделало их вполне конкурентоспособными с точки зрения удобства работы пользователей.

Состав операционных систем может быть разным для различных систем. Так, для “классических” ОС с командной строкой довольно четко выделяются три основные части:

· машинно-зависимая часть для работы с конкретными видами оборудования;

· базовая часть (ядро), не зависящая от конкретных деталей устройств: она работает с абстрактными логическими устройствами и при необходимости вызывает функции из предыдущей части; отвечает за наиболее общие принципы устройства ОС;

· программа ведения диалога с пользователем (ее часто называют командным процессором).

Значительная часть операционной системы находится в памяти постоянно, что обеспечивает ее эффективную работу. Программы для некоторых редко используемых операций типа форматирования дискет чаще всего оформляются в виде самостоятельных служебных программ и хранятся на внешних носителях. Такие программы обычно называют утилитами. Кроме того, в ОС, как правило, включают небольшой стандартный набор самого необходимого программного обеспечения, например, простейший текстовый редактор.

Состав операционных систем с графическим интерфейсом заметно шире, но в целом имеет похожее строение.

Методические рекомендации

Курс информатики основной школы

Одна из методических трудностей в преподавании этой темы заключается в том, что многие школьники, имеющие дома компьютеры, считают себя знатоками операционной системы. Можно попробовать продемонстрировать, что их представление об операционной системе как о средстве диалога с пользователем весьма неполно (см., например, перечисленные выше функции ОС).

Очень важно при изучении темы объяснить и показать школьникам наиболее распространенные приемы работы с файлами, поскольку на практике встречаются пользователи, испытывающие, например, затруднения при копировании файлов.

Курс информатики в старших классах

Стандарт особо выделяет вопросы, связанные с операционными системами и их многообразием, поэтому в старших классах необходимо рассматривать материал достаточно глубоко.

Помимо повторения чисто практических навыков, крайне желательно привести знания учеников в определенную систему. Современные ОС имеют вполне определенную логику построения и, в частности, являются объектно-ориентированными системами: все манипуляции с информацией производятся над объектами, каждый из которых имеет имя, значок и свойства. Хорошее изложение объектно-ориентированного подхода к работе в среде Windows дается в книгах Ю.А. Шафрина.

11. Память внешняя

Классическая функция внешней памяти состоит в том, чтобы сохранять информацию (как программу, так и данные всех видов)для повторного использования. Отсюда следует, что всю информацию целесообразно хранить во внутреннем двоичном представлении, т.к. это позволяет в случае необходимости немедленно обрабатывать ее без всяких дополнительных преобразований. Именно названное обстоятельство позволяет легко отличать внешнюю память от устройств вывода (или ввода), которые, напротив, используют выходные (входные) данные в виде, удобном для восприятия человека. В частности, любые дисковые устройства по указанной выше причине являются внешней памятью, а сканер или принтер относят к устройствам ввода-вывода. В то же время, все эти устройства можно назвать периферийными, или внешними, учитывая одинаковый способ их взаимодействия с центральным процессором.

Часто внешние устройства имеют съемные носители информации: диски различной природы, магнитные ленты и даже карты памяти мультимедиа-устройств с фотографическими или звуковыми файлами (см. “Носители информации”). Те, кто знаком с историей вычислительной техники, вспомнят также о существовавших ранее бумажных машинных носителях -- перфолентах и перфокартах. Жесткий диск, напротив, не может быть извлечен из своего защитного корпуса и заменен подобно тому, как это делается с дискетой.

Приведенные выше примеры свидетельствуют о том, что внешняя память состоит из носителя информации и устройства ее записи/чтения. Тесная взаимосвязь этих компонентов свидетельствует о методической нецелесообразности их разделения. Поэтому с указанной точки зрения внешней памятью является и сам компакт-диск, и привод накопителя, причем, разумеется, независимо от того, закреплен ли он внутри системного блока или подключается через внешний разъем.

Особо подчеркнем, что диски любой природы, помимо собственно данных, обычно содержат специальные каталоги, с помощью которых компьютер может найти требуемую информацию. Ведением каталогов занимается операционная система (см. “Файлы и файловая система” и “Операционная система”).

С точки зрения курса информатики принципы хранения данных на дисках и их поиска вообще представляют большой интерес. Поэтому рассмотрим этот вопрос подробнее на примере магнитного диска.

Начнем с того, что любой диск имеет две поверхности, пригодные для размещения информации, которые в технической литературе принято называть сторонами диска. Учитывая, что в современных накопителях на жестких дисках на одной оси может быть установлено несколько дисковых пластин, общее количество сторон может быть больше.

Каждую поверхность обслуживает собственная магнитная головка. Все головки собраны в единый механический блок и могут двигаться вдоль радиуса дисков. Движение это является дискретным, т.е. головки могут занимать относительно диска только строго определенные положения (для накопителя на гибких магнитных дисках количество стандартных позиций принято равным 80, хотя на практике есть еще несколько дополнительных). Каждое фиксированное положение головки позволяет дисководу за счет вращения диска получить доступ к некоторой “полоске” магнитной поверхности, имеющей форму кольца с центром, совпадающим с осью вращения, -- ее принято называть дорожкой диска.

Наконец, каждая дорожка разделена на отдельные сектора. Сектор является неделимой порцией информации и может быть прочитан только целиком (размер секторов обычно равен 512 байтам). Последней координатой информации на диске служит номер требуемого байта в секторе; выделением отдельного байта из прочитанного сектора занимается уже не сам накопитель, а обслуживающее его программное обеспечение компьютера.

Итак, положение интересующего нас байта информации на магнитном диске определяется четырьмя “координатами”: номером стороны, номером дорожки диска, номером сектора и номером байта в нем. Часто о такой организации доступа говорят как о доступе к диску на физическом уровне. Описанная выше сложная система хранения данных требует определенных усилий по их извлечению со стороны программного обеспечения. Сравните это с аппаратной схемой доступа ко внутренней памяти, описанной в статье “Память оперативная”, и вы легко поймете, почему все программное обеспечение сначала копирует данные из внешней памяти в ОЗУ (загружает их) и лишь затем обрабатывает.

Рядовой пользователь обычно не имеет представления ни о каких номерах секторов или дорожек, в которых записана его информация. Для обращения к программам или данным он оперирует определенной системой имен, принятой в данной версии ОС. Зная имя файла с информацией, система обращается к размещенным на диске специальным служебным таблицам и по ним определяет номера требуемых секторов, а затем производит чтение или запись. Таким образом, наличие файловой системы однозначно свидетельствует о том, что устройство является разновидностью внешней памяти.

Помимо собственно информации на диске, имеются и служебные данные -- своеобразная разметка, облегчающая накопителю поиск нужной информации. Такая разметка создается в процессе подготовки магнитного носителя к работе и называется форматированием низкого уровня. В заголовках записаны характеристики дорожек и секторов (их номера, размер и т.п.), а после каждого сектора помещена контрольная сумма всех его данных (при неправильном считывании сектора сумма получится другой и это позволит зафиксировать ошибку).

Помимо описанного физического форматирования на низком уровне, существует еще логическое форматирование. Логический формат диска существенно зависит от того, как операционная система организует на нем информацию. В процессе логического форматирования каждая ОС создает на дискете или на винчестере собственные служебные области, например каталог файлов, и очищает их.

В заключение еще одно важное замечание о работе устройств внешней памяти. Поскольку все они, как и устройства ввода-вывода, подсоединяются к шине данных через контроллеры (см. “Функциональное устройство”), процедура обмена во многом определяется именно логикой работы контроллера.

Методические рекомендации

Обсуждая внутреннюю и внешнюю память, часто используют множество аналогий, в том числе достаточно интересных. Тем не менее не следует ими чрезмерно увлекаться, необходимо уделять внимание хотя бы краткому освещению технической стороны проблемы. Вот что пишет об этом известный автор Ч.Петцольд7: “На вопрос о постоянстве8 и оперативности часто отвечают, используя такую аналогию: “Считайте, что оперативная память -- это ваш рабочий стол, а постоянная -- шкаф с папками”. И думают, что это прекрасное сравнение! Но я его таковым не считаю: создается впечатление, что архитектура компьютера срисована с обычной конторы. Правда же заключается в том, что различие между постоянной и оперативной памятью искусственно и существует лишь потому, что нам до сих пор не удалось создать накопитель данных, который был бы одновременно быстрым, объемным и способным хранить информацию в течение долгого времени”.

В качестве дополнения к мысли о некоторой искусственности разделения памяти напомним также о виртуальном способе адресации памяти, принятом в современных компьютерах, при котором внутренняя и внешняя память рассматриваются как единое целое. Если ОЗУ по какой-то причине не хватает, система копирует “наименее нужную” в данный момент область ОЗУ на диск, освобождая тем самым необходимый объем памяти.

И еще одно методическое предложение. В ходе обсуждения примеров различных устройств внешней памяти можно порекомендовать производить их попарное сравнение, выделяя существенные отличия. Вот возможные варианты обсуждения.

· Сравнить магнитные и компакт-диски -- они имеют разную природу записи.

· Сравнить накопители на жестких и гибких дисках -- в отличие от винчестера, дисковод имеет сменные носители.

· Сравнить флэш-память и карту памяти фотоаппарата -- карта фотоаппарата только носитель, для ее подключения компьютеру требуется специальное устройство; флэш-память совмещает носитель и устройство считывания.

· Сравнить внешнее запоминающее устройство на базе флэш-памяти (на фото внизу) и ROM BIOS на базе такой же памяти (фото ниже) -- ПЗУ является частью внутренней памяти и обращение к его отдельным байтам производится по адресу; “флэшка” -- внешняя память -- имеет файловый доступ к информации.

12. Память оперативная

Память -- это одно из основных устройств ЭВМ, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу информации, необходимой для решения задачи на ЭВМ. В памяти хранятся не только данные решаемых задач, но и программы их обработки.

Память бывает внешняя и внутренняя. Термин этот имеет историческое происхождение: та память, которая в старых ЭВМ находилась внутри центрального процессорного шкафа, получила вполне естественное название внутренней, а память, сконструированная в виде отдельных устройств, стала называться внешней. По мере развития технологий производства размеры всех электронных устройств уменьшились настолько, что большинство из них удалось разместить внутри единого корпуса (системного блока), тем не менее указанные названия памяти сохранились до наших дней. При этом стало отчетливо видно, что две эти составляющие памяти на самом деле должны выделяться не столько по конструктивной “близости” к процессору, сколько по особенностям функционирования: критерием является механизм обмена данными с тем или иным запоминающим устройством. Таким образом, очень важный вывод состоит в том, что доступ процессора к информации во внутренней и внешней памяти реализуется принципиально по-разному.

В выпускаемых сейчас компьютерах внутренняя память -- это электронная (полупроводниковая) память, устанавливаемая на системной плате или модулях ее расширения, а внешняя -- память, реализованная в виде устройств с различными принципами хранения информации (магнитная, оптическая и магнитооптическая, а также флэш-память). Устройства внешней памяти часто монтируются внутри системного блока, например, жесткий диск или накопитель на оптических дисках.

В данной статье рассматривается только внутренняя память, для знакомства с внешней обратитесь к статье “Память внешняя” 2. Главным компонентом внутренней памяти является ОЗУ, но попутно будут рассмотрены и некоторые другие виды внутренней памяти.

Основная часть внутренней памяти представляет собой запоминающее устройство, в котором информацию можно без каких-либо ограничений считывать и записывать. Такой вид памяти принято называть оперативное запоминающее устройство (ОЗУ; соответствующий английский термин, который часто встречается в технической литературе, -- RAM, т.е. RandomAccess Memory -- память с произвольным доступом). В ОЗУ хранятся оперативные данные и программы (быть может, фрагменты программ) их обработки.

Технологическая основа ОЗУ может быть различной. Первые ЭВМ имели память на ртутных линиях задержки или электронно-лучевых трубках, затем использовались запоминающие элементы на магнитных сердечниках. В настоящее время память изготовляется на полупроводниковой основе, т.е. производится теми же методами, что и микропроцессоры.

Современное ОЗУ обладает следующими характерными особенностями. Во-первых, возможность считывать и записывать информацию из произвольного места памяти (сравните с магнитной лентой, где информация может считываться только последовательно). Во-вторых, высокая скорость работы ОЗУ, приближающаяся к быстродействию микропроцессора. И, наконец, необходимость специальных мер по сохранению информации из ОЗУ после завершения работы.

Другим важным видом внутренней памяти компьютера является также постоянное запоминающее устройство (ПЗУ; английское название -- ROM, т.е. Read Only Memory -- память только для чтения). Его содержимое можно только читать: исполняемая программа пользователя не может изменить записанную там информацию, поэтому она всегда неизменна и постоянно доступна компьютеру.

Техника формирования содержимого ПЗУ еще более разнообразна, чем ОЗУ. Самые последние разработки позволяют производить обновление информации чисто электрическим путем, причем даже не вынимая микросхему из платы (в момент выполнения процедуры перепрограммирования компьютер в традиционном понимании неработоспособен!), ПЗУ такого рода реализуется на базе флэш-памяти (flash memory).

ПЗУ играет в современных компьютерах очень важную роль. Прежде всего, каждый компьютер содержит ПЗУ с программой начальной загрузки (см. “Загрузка ПО”). В этой же самой микросхеме обычно хранятся минимальные программы работы с клавиатурой и другими устройствами, поэтому ее часто называют BIOS -- Basic Input/Output System (данные программы можно сравнить с врожденными безусловными рефлексами у живого существа; роль приобретенных рефлексов играют загруженные в компьютер программы).

Будучи разновидностью внутренней памяти, ПЗУ адресуется теми же способами, что и ОЗУ, -- оба запоминающих устройства имеют общее адресное пространство. Запись и чтение информации в обоих случаях основываются на принципе адресации, входящем в перечень базовых принципов устройства компьютера (см. “Базовые принципы устройства”).

Еще одна разновидность памяти, получившая в последнее время повсеместное распространение, -- так называемая кэш-память. Кэш является вспомогательным видом памяти, и объяснение его сущности носит технический характер. Кэш “невидим” для пользователя, а данные, хранящиеся там, недоступны для прикладного программного обеспечения.

Современные полупроводниковые микросхемы ОЗУ бывают двух видов -- статические и динамические. Оба вида запоминающих микросхем успешно конкурируют между собой, поскольку ни одна из них не является идеальной. С одной стороны, статическая память значительно проще в эксплуатации и приближается по быстродействию к процессорным микросхемам. С другой стороны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость, сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ решается в пользу динамической памяти.

Мы видим, что существует некоторое противоречие между быстродействующей, но дорогой статической памятью и худшей по характеристикам, но более дешевой, динамической. Разумным компромиссом для построения экономичных и производительных систем является использование промежуточной кэш-памяти. Она представляет собой “быструю” статическую память небольшого объема, которая служит для ускорения доступа к полному объему “медленной” динамической памяти. Основная идея работы кэш-памяти заключается в том, что извлеченные из ОЗУ данные или команды программы копируются в кэш; одновременно в специальном каталоге адресов запоминается, откуда информация была извлечена. Если эти данные потребуются повторно, то уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ -- их можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Поскольку объем кэш существенно меньше объема оперативной памяти, его контроллер (управляющая схема) тщательно следит за тем, какие данные следует сохранять в кэш, а какие заменять: удаляется та информация, которая используется реже или совсем не используется. Контроллер обеспечивает и своевременную запись измененных данных из кэш обратно в основное ОЗУ.

В современных компьютерах кэш-память обычно реализуется по двухуровневой схеме. При этом первичный кэш встроен непосредственно внутрь процессора, а вторичный устанавливается на системной плате.

Говоря об устройстве ОЗУ, нельзя обойти вниманием его внутреннюю организацию. Наиболее просто была устроена память в ЭВМ первых двух поколений. Она состояла из отдельных ячеек, каждая из которых считывалась или записывалась как единое целое. Любая ячейка имела свой номер (адрес); очевидно, что адреса соседних ячеек были последовательными целыми числами. В первых ЭВМ использовались данные только одного типа -- числа, причем их длина из соображений простоты, как правило, выбиралась равной длине машинной команды. Ячейка типичной ЭВМ того времени состояла из 30-40 двоичных разрядов.

В ЭВМ третьего и четвертого поколений идеология построения памяти существенно изменилась: минимальная порция информации для обмена с ОЗУ была установлена равной 8 двоичным разрядам, т.е. 1 байту. Введение байтовой структуры памяти сделало возможным обрабатывать несколько типов данных разной длины, например, символы текста -- 1 байт, целые числа -- 2 байта, вещественные числа обычной или двойной точности -- 4 и 8 байт соответственно. Важно подчеркнуть, что минимальный объем адресуемой информации в ОЗУ составляет 1 байт. Зато для более крупных данных современный процессор способен извлечь из ОЗУ 4-8 байт одновременно.

Принцип адресации данных применительно к ОЗУ с байтовой организацией выглядит так: каждый байт имеет свой номер, а положение многобайтовой информации задается адресом первого байта и их количеством.

Максимальное количество единовременно адресуемых байт -- адресное пространство -- зависит от количества двоичных разрядов шины адреса (см. “Процессор”) и в настоящее время измеряется гигабайтами.

Порядок сохранения многобайтовых числовых или мультимедийных данных может быть разным. Распространенные у нас компьютеры с Intel-совместимыми процессорами сохраняют байты в память, начиная с младшего; аналогичный способ был принят также в машинах PDP-11 и VAX. Существовали и до сих пор существуют компьютеры с противоположным порядком хранения байт, например, IBM 370, Motorola 68000 (семейство компьютеров Apple), Sun Sparc и многие RISC-процессоры. А вот система PowerPC “понимает” сразу оба формата данных.



Методические рекомендации

Курс информатики основной школы

Одна из трудностей в преподавании темы “Память компьютера” заключается в том, что количество разновидностей памяти в компьютере весьма велико. По нашему мнению, важно начиная с базового курса четко разъяснять ученикам назначение и основные особенности каждого вида памяти, прежде всего способы доступа к данным. Авторы надеются, что материалы данной статьи помогут учителям в достижении этой методической цели.

Целесообразно также постоянно подчеркивать связь между изучаемыми видами памяти и фундаментальным принципом ее иерархии (см. “Базовые принципы устройства”). В частности, это обязательно надо делать при рассказе о кэш-памяти, а также описывая взаимодействие ОЗУ и внешней памяти.

Курс информатики в старших классах

В старших классах можно расширить знания учащихся по данной теме путем более детального изложения сведений о байтовой структуре памяти и размерности хранимых в ОЗУ данных. Это даст возможность лучше усвоить понятие типов данных, причем не только в разделе “Программирование”, но и при обсуждении принципов работы пользовательского ПО. В частности, об объеме данных важно говорить при планировании структур баз данных, при выборе количества цветов графических изображений и формата хранения текста.

13. Пользовательский интерфейс

Термин “интерфейс” широко используется в вычислительной технике. Интерфейс (сопряжение) -- это способ и средства(аппаратные и программные) установления и поддержания информационного обмена между различными автоматическими устройствами или частями одного устройства, а также технических средств с человеком.

Технической реализации интерфейсов, обеспечивающих взаимодействие частей компьютера между собой, посвящена отдельная статья “Шины и интерфейсы” 2; вопросы организации межмашинных интерфейсов освещаются также в разделе 7.

Данная статья посвящена человеко-машинному интерфейсу, благодаря которому человек получает возможность сформулировать компьютеру задачу и получить результаты ее решения в требуемой форме.

В ходе развития вычислительной техники отчетливо прослеживается тенденция совершенствования средств взаимодействия человека с машиной в сторону повышения комфорта работы пользователя.

В начале пути мы обнаруживаем неуклюжие узкоспециальные технические устройства типа перфораторов (устройств для пробивки отверстий на бумажных носителях -- перфокартах или перфолентах) и примитивные цифровые печатающие устройства, способные выводить на узком рулоне бумаги колонку цифр. Большинство из тех, кто пользовался услугами ЭВМ, делали это через посредство специалистов-операторов. В настоящее время в результате постоянного развития периферийного оборудования общение стало несравненно более удобным: клавиатура, мышь, монитор и современный принтер позволяют после небольшой подготовки непосредственно общаться с компьютером даже пользователю-неспециалисту. В перспективе скорее всего произойдет постепенный переход ко все более естественным для человека средствам общения, в частности, речевому и рукописному вводу.

Не менее существенный вклад в улучшение человеко-машинного интерфейса вносит и программное обеспечение. Поскольку с прагматической точки зрения удобнее, чтобы интерфейс всех программ был похожим, в настоящее время его базовые элементы в основном определяются операционной системой (одной из функций современной ОС является общение с пользователем -- см. “Операционные системы”).

Общение человека с персональным компьютером имеет четко выраженный диалоговый характер. Сначала пользователь тем или иным способом вводит команду, инициирующую нужное ему действие (копирование файла, запуск программы, сохранение рисунка и т.д.), а затем компьютер его выполняет. Возможны случаи, когда сделать требуемое действие невозможно, например, недостаточно места на носителе или пользователь сохраняет документ с именем, которое уже существует. В подобных случаях компьютер либо прекращает выполнение команды с объяснением причины неудачи, либо предлагает пользователю выбрать одно из возможных альтернативных решений.

Операционные системы современных ПК имеют два наиболее распространенных вида программного интерфейса взаимодействия с человеком: интерфейс командной строки и графический интерфейс.

Исторически возникновение такой классификации существенным образом связано с теми техническими возможностями, которые предоставлял пользователю дисплей. Первые дисплеи были чисто текстовыми, у них даже отсутствовала возможность вернуться в предыдущую строку и исправить ее!

В таких условиях диалог поневоле носил характер “обмена словесными репликами” между человеком и ЭВМ (теперь мы называем этот стиль общения “командной строкой”). По мере улучшения управления дисплеями появилась возможность позиционировать текст на экране произвольным образом, а к клавиатуре добавились клавиши управления курсором. Так возникло экранное редактирование, без которого работу на современном компьютере сейчас уже невозможно представить. В итоге вместо отдельной строки пользователь получил в свое распоряжение весь текстовый (пока еще) экран. Расширение технических возможностей способствовало возникновению новых видов ПО: полноэкранных текстовых редакторов (вместо строковых), электронных таблиц и других. Между прочим, далеко не все пользователи Excel догадываются, что его командная строка, в которую ввод идет параллельно заполнению ячеек таблицы, возникла именно тогда: в популярных табличных процессорах того времени вроде SuperCulc содержимое сначала набиралось в командной строке, а затем, по нажатию , заносилось в активную ячейку и отображалось.

Наконец, переход к совершенным графическим дисплеям в сочетании с появлением манипулятора “мышь” породили качественно новый вид интерфейса, который современные пользователи привыкли воспринимать как единственно приемлемый.

Совершенствование технологии отображения информации на экране дисплея создавало основы для появления все новых и новых интерфейсных решений. Проследим за ходом этого процесса.

Чтобы познакомиться с интерфейсом командной строкой в системе Windows, достаточно в меню Пуск выбрать пунктВыполнить и в возникающем диалоговом окне ввести cmd, что вызовет интерпретатор строковых команд ОС. Пример диалога демонстрируется на рисунке.

Первая команда (cd winnt) устанавливает каталог с указанным именем в качестве текущего. На экране никаких сообщений не появляется, но по приглашению ко вводу в следующей строке видно, что изменение произошло. Вторая набранная нами команда требует вывести на экран отчет о наличии файлов с именем winamp -- соответствующая информация на экране является результатом работы команды. Наконец, последняя команда сознательно введена неправильно -- диск с именем q: отсутствует, о чем система недостаточно четко, но сообщила.

Для рядового пользователя такой интерфейс является неудобным, поскольку необходимо детально помнить синтаксис команд и внимательно набирать довольно длинные тексты. Чтобы упростить общение, был придуман меню-интерфейс, при котором машина формирует список всех возможных вариантов действия, а человек выбирает нужный (помимо удобства, такой метод общения еще исключает ошибки набора). Прекрасным примером замены набора командной строки на выбор из меню является общепризнанная программа Norton Commander и все ее многочисленные “имитации”, включая написанную для среды Windows программу Е. Рошала FAR manager.

В указанном выше ПО для облегчения манипуляции файлами можно увидеть и прообраз еще одного элемента нового поколения интерфейса -- окна: каждому диску на экране отводится отдельная, выделенная визуально, зона вывода информации. Подчеркнем, что разделение экрана на окна в однозадачной среде типа MS-DOS не является функционально необходимым, а продиктовано соображениями удобства. Качественное же изменение характера интерфейса происходит при переходе к многозадачным ОС типа Windows, где существование окон становится нормой, ибо позволяет одновременно исполняемым приложениям делить общий экран дисплея между собой.

Современные ОС используют для общения с пользователем интерфейс нового поколения, который принято называть графическим. Помимо наличия окон и меню, зародившихся ранее как средство преодоления неудобств, связанных с командной строкой, он включает в себя определенную объектную философию (любой объект имеет имя, значок, свойства). Мы не будем здесь обсуждать подробности графического интерфейса, поскольку этому посвящено огромное количество публикаций.

Методические рекомендации

Курс информатики основной школы

Согласно Стандарту, понятие о командном взаимодействии требуется дать ученикам именно на этом этапе. По-видимому, до изучения базового курса школьники уже будут иметь некоторые умения по практическому использованию оконного интерфейса; в таком случае большое значение приобретает грамотная систематизация практических навыков манипуляции мышкой. Очень важно, в частности, обобщить материал о состояниях окон (нормальном, полноэкранном и минимизированном) и переходах между ними; сформировать понятие рабочего поля окна и методов его перемещения по большому рисунку или тексту и т.д. (в частности, не все пользователи грамотно пользуются возможностями полос прокрутки, для управления которыми имеется не менее трех способов). Иначе говоря, необходимо помочь ученикам осознанно применять навыки работы с графическим интерфейсом. В качестве хорошего руководства по данному вопросу можно порекомендовать многочисленные книги и учебники Ю.А. Шафрина. (Заметим, что возможный переход с коммерческого Microsoft Office на свободно распространяемый Open Office может потребовать поиска других учебников.)

Очень важно при выполнении практических заданий на компьютере с самых первых занятий всячески подчеркивать ту общность интерфейса, которой обладают все программы. Например, сформировать понимание того, что буфер обмена есть часть ОС, а не конкретной программы, и поэтому его можно активно использовать при переносе всех видов информации и между любыми окнами, подходящими по смыслу: можно переносить фрагменты текстов, картинок, аудиофрагменты и даже набор файлов из папки.

Хороший эффект при изучении графических элементов управления дает применение специализированных тренажеров, которые в занимательной форме в ходе выполнения задания позволят открыть части красивой картинки или получить какой-либо другой интересный результат. Подобные тренажеры могут быть разработаны старшеклассниками под руководством учителя.

Для того чтобы дать учащимся хотя бы минимальное представление об интерфейсе командной строки, целесообразно подготовить какие-нибудь несложные демонстрации и задания по этому вопросу.

Курс информатики в старших классах

В старших классах углубить знания школьников по рассматриваемой теме можно при рассмотрении связанных тем. В частности, в соответствующем Стандарте имеется вопрос “Многообразие операционных систем”, который дает повод поговорить об интерфейсе командной строки (Unix, Linux) и особенностях графического интерфейса в разных системах. При наличии технической возможности желательно сравнить вид и приемы работы с графическим интерфейсом в Windows и в графических оболочках типа KDE или Gnome в ОС Linux. Основной вывод, который должны сделать ученики, -- различия непринципиальны и касаются второстепенных деталей.

Хорошее продолжение можно предложить, если в школе изучаются визуальные среды программирования типа Delphi или Visual Basic (а может, их бесплатные аналоги Kylix и Lazarus). Дело в том, что многие визуальные компоненты этих современных сред программирования суть элементы стандартного графического интерфейса (Form -- это собственно окно, Checkbox -- флажок проверки, SpeedButton -- операционная кнопка панели инструментов, ListBox -- список и т.д.). Изучая программирование в таких средах, можно узнать много нового о свойствах органов графического контроля. Например, далеко не все старшеклассники хорошо понимают, что такое фокус ввода или что кнопка с границей двойной толщины есть кнопка по умолчанию, которая срабатывает от нажатия клавиши ввода на клавиатуре.

Можно поговорить со школьниками о графической операционной системе как об объектно-ориентированной среде. В частности, материал по такой теме для ОС Windows можно найти в рекомендованных выше книгах Ю.А. Шафрина.

14. Процессор

Процессор -- это функциональный блок ЭВМ, предназначенный для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения9. Термин по звучанию близок к английскому глаголу “process”, имеющему один из вариантов перевода “обрабатывать”. И действительно, основное назначение процессора состоит в автоматической обработке информации по заданной программе.

Будучи центральным устройством ЭВМ, процессор во многом определяет ее возможности и производительность. Не случайно при характеристике компьютера тип процессора всегда указывается в первую очередь. Тем не менее, не следует забывать, что общая эффективность вычислительной системы зависит не только от процессора, но и от остальных ее компонентов, а даже от их согласования. Иными словами, “медленная” память или устаревшая графическая часть могут свести на нет все преимущества новейшего процессора.

Главными составными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ (см. “Базовые принципы устройства”). В современных процессорах имеются и некоторые другие дополнительные узлы, но для первого знакомства их можно не рассматривать.

Прогресс в области микроэлектроники привел к тому, что весь процессор удалось разместить внутри одного кристалла. Таким образом, он стал отдельной самостоятельной микросхемой и получил новое название -- микропроцессор. На фотографии изображен один из современных микропроцессоров. Удерживающие его пальцы дают хорошее представление о габаритах изделия. Стоит отметить, что размер корпуса в основном определяется необходимостью разместить несколько сот металлических выводов, с помощью которых процессор присоединяется к плате; собственно кристалл значительно меньше.

То, что процессор удалось поместить внутри одной микросхемы, не просто уменьшило размеры этого узла, но и создало предпосылки для существенного увеличения скорости работы процессора (благодаря сокращению длины соединений) и повышения его надежности (за счет отсутствия внешних проводников). К сожалению, есть и отрицательные последствия: уменьшение габаритов процессора приводит к ухудшению условий теплоотдачи от микроскопических его элементов, что существенно повышает требования к теплоотводящим свойствам конструкции.

Рассмотрим кратко функции входящих в состав процессора АЛУ и УУ.

АЛУ служит для выполнения всех операций, которые “умеет” выполнять процессор. Именно здесь осуществляются все арифметические действия, а также логические операции, сравнение данных, сдвиги и т.д. (Об ассортименте инструкций ЭВМ рассказано в статье “Машинная команда”.)

АЛУ содержит в себе регистры для хранения и обработки данных. Один из важнейших регистров называется сумматором и в нем получается итоговый результат (см. “Логические элементы и узлы”).

Чтобы обеспечить автоматические вычисления по программе, процессор должен уметь выполнять еще целый ряд действий:

· извлекать из памяти очередную команду;

· расшифровывать ее и преобразовывать в последовательность необходимых действий;

· заносить в АЛУ исходные данные;

· сохранять полученный в АЛУ результат;

· обеспечивать синхронную работу всех узлов машины.

Для выполнения всех этих функций и нужно устройство управления.

Как и АЛУ, УУ содержит несколько важных регистров для хранения информации, необходимой в ходе выполнения текущей команды. Наиболее важными из них являются счетчик (регистр)адреса очередной команды программы и регистр команд, в который считывается код выполняемой в данный момент операции.

Анализу последовательности действий, которые производит процессор при выполнении каждой команды, посвящена статья “Исполнение программы”.

Описанные выше служебные регистры АЛУ и УУ, используемые процессором для обеспечения своего функционирования, как правило, недоступны программисту. Однако почти все процессоры имеют некоторый набор дополнительных регистров, предназначенных для использования программным обеспечением. Их часто называют регистрами общего назначения (РОН), подчеркивая тем самым универсальность их функций. В РОН может храниться как непосредственно обрабатываемая информация (числа, коды символов и т.п.), так и ссылки на те ячейки памяти, где такая информация находится (такой метод адресации данных широко распространен и называется косвенным). Количество регистров и их устройство в различных процессорах различно.

В заключение рассмотрим основные характеристики процессора -- разрядность и тактовую частоту.

Под разрядностью процессора обычно понимают число одновременно обрабатываемых им битов. Формально эта величина есть количество двоичных разрядов в регистрах процессора, и для современных моделей она равна 32. Помимо “внутренней” разрядности процессора, существует еще разрядность шины данных, которой он управляет, и разрядность шины адреса. Разрядность регистров и разрядность шины данных влияют на длину обрабатываемых данных, а вот разрядность шины адреса R определяет максимальный объем памяти, который способен адресовать процессор. Эту характеристику часто называют величиной адресного пространства, и она может быть вычислена по простой формуле 2R. Эти три характеристики разрядности не всегда совпадают (данные для таблицы взяты из книг10 и11):

Из таблицы, в частности, видно, что для 386-го процессора все три разрядности различны.

Тактовая частота определяется количеством тактовых импульсов в секунду и измеряется в гигагерцах -- т.е. миллиардах импульсов за 1 сек. (см. “Машинная команда”). Очевидно, что чем чаще следуют импульсы от генератора, тем быстрее будет выполнена операция, состоящая из фиксированного числа тактов. Разумеется, эту частоту нельзя установить произвольно высокой, поскольку процессор может просто “не успеть” выполнить очередной такт до прихода следующего импульса. Инженеры делают все возможное для увеличения значения этой характеристики.

Следует четко представлять, что сравнение тактовых частот позволяет надежно определить, какой из двух процессоров более быстродействующий, только в том случае, когда оба процессора устроены примерно одинаково. Если же попытаться сравнить процессоры, произведенные разными изготовителями и работающие по разным принципам, можно получить абсолютно неправильные выводы о быстродействии. Кроме того, не нужно забывать, что производительность современной компьютерной системы определяется не только быстродействием отдельно взятого процессора, но и скоростями работы остальных узлов компьютера и даже способами организации всей системы в целом: часто простое увеличение объема ОЗУ дает гораздо больший эффект, чем замена процессора на более быстрый.

Как следует из изложенного выше, система команд компьютера зависит именно от используемого в нем процессора. Каждый процессор имеет свою систему команд (см. “Машинная команда”). Подчеркнем, что по структуре системы команд различают процессоры двух типов:

· RISC (Reduced Instruction Set Computer) -- процессор с уменьшенным набором команд и

· CISC (Complex Instruction Set Computer) -- процессор с полным набором команд.

CISC-процессоры появились раньше, для них характерен набор сложных команд неодинаковой длины с большим количеством методов адресации к памяти. Появившийся позднее RISC-подход предлагает менее сложные команды одинаковой длины с отказом от сложных методов адресации. Такое упрощение системы команд позволяет оптимизировать время их выполнения и существенно ускорить работу процессора. Что касается “отброшенных” при упрощении возможностей, то они используются относительно редко и вполне могут быть реализованы программным путем.

Процессоры фирмы Intel относятся к CISC-группе. Однако для того, чтобы наращивать быстродействие своих изделий, Intel широко применяет отдельные достижения RISC-архитектуры.

Методические рекомендации

Курс информатики основной школы

Рассказывая об основных компонентах компьютера и их функциях, учитель не может обойти своим вниманием процессор. На данном этапе важно дать общее представление о функциях процессора и его важнейших характеристиках -- тактовой частоте и разрядности.

Курс информатики в старших классах

В старших классах к уже имеющимся у учащихся знаниям стоит добавить более глубокое представление о характеристиках процессора и системе его команд (дополнительно можно включить материал неоднократно цитированной выше статьи “Машинная команда”).

15. Устройства ввода/вывода

Устройства ввода/вывода -- это устройства ЭВМ, с помощью которых в машину вводится информация для ее обработки, а также из машины выводятся промежуточные и окончательные результаты ее работы в форме, доступной для восприятия человеком. Не следует путать их с устройствами внешней памяти, с которых вводится или на которые выводится информация в машинной форме, например, с любыми дисковыми устройствами (см. “Память внешняя”). Последнее замечание особенно актуально, поскольку во многих классификациях все эти устройства объединяют вместе под названием внешние, или периферийные устройства.

С точки зрения информатики при помощи устройств ввода человек кодирует имеющиеся у него (“немашинные”) входные данные для хранения и обработки в компьютере. Например, помещая открытку на рабочий стол сканера, пользователь выполняет определенную последовательность действий, в результате которых в памяти компьютера формируется машинный аналог графического изображения, пригодный для сохранения и обработки. При выводе происходит процесс обратного перекодирования, и информация из недоступной для непосредственного восприятия машинной формы становится понятной человеку. Так, отпечатанный на бумаге текст содержит информацию, которую в отличие от комбинаций электрических напряжений человек в состоянии прочесть.

Устройства ввода/вывода (как и устройства внешней памяти) подсоединяются к системной магистрали при помощи контроллеров, которые управляют передачей данных от устройства на шину и в обратном направлении (см. “Контроллеры”). Каждый контроллер управляет “своим” устройством под руководством центрального процессора (ЦП). Для ведения диалога между процессором и внешними устройствами последние чаще всего отображаются в особое адресное пространство: его ячейки принято называть портами; каждому устройству обычно соответствует несколько портов с последовательными адресами. В MS-DOS настройка адресов портов являлась важной частью процедуры подключения устройств, в более поздних ОС распределение портов по адресам выполняется автоматически.