Существуют два различных способа построения крупномасштабных систем с распределенной памятью. Простейший способ заключается в том, чтобы исключить аппаратные механизмы, обеспечивающие когерентность кэш-памяти, и сосредоточить внимание на создании масштабируемой системы памяти. Несколько компаний разработали такого типа машины. Наиболее известным примером такой системы является компьютер T3D компании Cray Research. В этих машинах память распределяется между узлами (процессорными элементами) и все узлы соединяются между собой посредством того или иного типа сети. Доступ к памяти может быть локальным или удаленным. Специальные контроллеры, размещаемые в узлах сети, могут на основе анализа адреса обращения принять решение о том, находятся ли требуемые данные в локальной памяти данного узла, или размещаются в памяти удаленного узла. В последнем случае контроллеру удаленной памяти посылается сообщение для обращения к требуемым данным.

Чтобы обойти проблемы когерентности, разделяемые (общие) данные не кэшируются. Конечно, с помощью программного обеспечения можно реализовать некоторую схему кэширования разделяемых данных путем их копирования из общего адресного пространства в локальную память конкретного узла. В этом случае когерентностью памяти также будет управлять программное обеспечение. Преимуществом такого подхода является практически минимальная необходимая поддержка со стороны аппаратуры, хотя наличие, например, таких возможностей как блочное (групповое) копирование данных было бы весьма полезным. Недостатком такой организации является то, что механизмы программной поддержки когерентности подобного рода кэш-памяти компилятором весьма ограничены. Существующая в настоящее время методика в основном подходит для программ с хорошо структурированным параллелизмом на уровне программного цикла.

Машины с архитектурой, подобной Cray T3D, называют процессорами (машинами) с массовым параллелизмом (MPP Massively Parallel Processor). К машинам с массовым параллелизмом предъявляются взаимно исключающие требования. Чем больше объем устройства, тем большее число процессоров можно расположить в нем, тем длиннее каналы передачи управления и данных, а значит и меньше тактовая частота. Происшедшее возрастание нормы массивности для больших машин до 512 и даже 64К процессоров обусловлено не ростом размеров машины, а повышением степени интеграции схем, позволившей за последние годы резко повысить плотность размещения элементов в устройствах. Топология сети обмена между процессорами в такого рода системах может быть различной. На рис..5 приведены характеристики сети обмена для некоторых коммерческих MPP.

Для построения крупномасштабных систем альтернативой рассмотренному в предыдущем разделе протоколу наблюдения может служить протокол на основе справочника, который отслеживает состояние кэшей. Такой подход предполагает, что логически единый справочник хранит состояние каждого блока памяти, который может кэшироваться. В справочнике обычно содержится информация о том, в каких кэшах имеются копии данного блока, модифицировался ли данный блок и т.д. В существующих реализациях этого направления справочник размещается рядом с памятью. Имеются также протоколы, в которых часть информации размещается в кэш-памяти. Положительной стороной хранения всей информации в едином справочнике является простота протокола, связанная с тем, что вся необходимая информация сосредоточена в одном месте. Недостатком такого рода справочников является его размер, который пропорционален общему объему памяти, а не размеру кэш-памяти. Это не составляет проблемы для машин, состоящих, например, из нескольких сотен процессоров, поскольку связанные с реализацией такого справочника накладные расходы можно преодолеть. Но для машин большего размера необходима методика, позволяющая эффективно масштабировать структуру справочника.

Рис.5. Характеристики межсоединений некоторых коммерческих MPP

В частности, чтобы предотвратить появление узкого горла в системе, связанного с единым справочником, можно распределить части этого справочника вместе с устройствами распределенной локальной памяти. Таким образом можно добиться того, что обращения к разным справочникам (частям единого справочника) могут выполняться параллельно, точно также как обращения к локальной памяти в распределенной памяти могут выполняться параллельно, существенно увеличивая общую полосу пропускания памяти.

В распределенном справочнике сохраняется главное свойство подобных схем, заключающееся в том, что состояние любого разделяемого блока данных всегда находится во вполне определенном известном месте. На рис.6 показан общий вид подобного рода машины с распределенной памятью. Вопросы детальной реализации протоколов когерентности памяти для таких машин выходят за рамки настоящего обзора.



Рис. 6. Архитектура системы с распределенной внешней памятью и распределенным по узлам справочником

Тема №4. Программное обеспечение компьютера

4.1 Системное программное обеспечение

1. Это совокупность программ для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ. Данный класс программного обеспечения делится на следующие виды:

1) базовое ПО, содержащее операционные системы (ОС) и операционные оболочки;

2) сервисное ПО, или утилиты. Содержит программы диагностики работоспособности компьютера, антивирусные программы, программы обслуживания дисков, программы архивирования данных, программы обслуживания сетей.

Операционные системы используются для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными и другими ресурсами ЭВМ. Это комплекс программ и данных, предназначенных для увеличения пропускной способности ЭВМ, расширения сферы ее применения, автоматизации подготовки прикладных программ к выполнению. ОС являются обязательной составляющей ПО любого компьютера, без чего он превращается в груду металла, пластика и электроники.

Наиболее популярными ОС для компьютеров класса IBM PC являются ОС семейства Windows'xx и MS DOS. Причем эти ОС не являются взаимоисключающими: они взаимодействуют в процессе функционирования компьютера и MS DOS, как правило, встроена в ОС Windows'xx. Сетевая ОС не имеет фундаментальных отличий от ОС автономного компьютера. Ее отличительной чертой являются развитые средства защиты от несанкционированного доступа, применяющие, в частности, идеи криптографического кодирования, рассмотренные ранее.

Операционные оболочки - это специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами ОС. Имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Примерами являются Norton Commander (NC) для ОС MS DOS, Far для ОС Windows'xx. В настоящий момент, когда операционные системы облагают высокоразвитым графическим интерфейсом (иконки Windows и т.п.) и имеют встроенные очень удобные средства для выполнения системных операций, наличие операционных оболочек скорее дань традиции, чем необходимость.

Операционная система (ОС) - это программа - посредник между человеком и компьютером. Именно она запускает прикладные программы на выполнение, управляет вычислительными ресурсами ЭВМ и обеспечивает пользователю дружественный способ общения с ЭВМ (дружественный интерфейс).

ОС- это комплекс специальных программных средств, предназначенных для управления загрузкой, запуском и выполнением других (пользовательских) программ, а также для планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ.

ОС - это именно комплекс программ, неоднородный по характеру и многоплановый по уровню. Этот комплекс программ динамичен по своему составу: из него можно удалять и в него добавлять определенные части. Та часть программ, которая взаимодействует с аппаратными средствами непосредственно и должна постоянно храниться в компьютере, и составляет ядро операционной системы.

В частности, программное обеспечение, входящее в состав ядра, отвечает за проверку работоспособности компьютера и выполнение элементарных (базовых) операций, связанных с работой дисплея, клавиатуры, магнитных накопителей и т.п.

ОС образует автономную среду, не связанную ни с одним из языков программирования. Любая прикладная программа связана с ОС и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда (или должна быть обеспечена возможность конвертации - преобразования программ).

ОС должная храниться на внешнем запоминающим устройстве, к которому может быть обеспечен относительно быстрый доступ, например, на жестком диске, или на специальном гибком диске, который называется системным. При включении компьютера ОС автоматически загружается с диска в ОП.

ОС MS DOS была создана фирмой Micrоsоft в 1981 г. В настоящее время существует ее версии 6.22 и 7.0 (в составе Windows 95), а также, условно говоря, системы - дублеры других фирм-разработчиков (DR DOS, PC DOS) . Начиная с 1996 г. MS DOS распространяется в составе W95-32 -разрядной многозадачной и многопоточной ОС с графическим интерфейсом и расширенными сетевыми возможностями.

ОС выполняет 3 основные функции:

1. управление файловой системой ПК (создание, удаление, копирование, перемещение, поиск, просмотр, переименование файлов);

2. запуск и завершение работы прикладных программ;

3 сервис (информация о параметрах, настройка, оптимизация работы).

Та часть программ, которая взаимодействует с аппаратными средствами непосредственно и потому должна постоянно хранится в компьютере, составляет ядро операционной системы. В частности, программное обеспечение, отвечающее за проверку работоспособности компьютера и выполнение элементарных операций, связанных с работой дисплея, клавиатуры, магнитных накопителей и т.п. При включении компьютера ОС автоматически загружается с диска в оперативную память.

Классификация ОС

От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во многом зависит эффективность всей сетевой ОС в целом. Поэтому, характеризуя сетевую ОС, часто приводят важнейшие особенности реализации функций ОС по управлению процессорами, памятью, внешними устройствами автономного компьютера. Так, например, в зависимости от особенностей использованного алгоритма управления процессором ОС делят на многозадачные м однозадачные, многопользовательские и однопользовательские, на системы, поддерживающие многонитевую обработку и не поддерживающие ее, на многопроцессорные и однопроцессорные.

Поддержка многозадачности. По числу одновременно выполняемых задач ОС могут быть разделены на два класса:

Однозадачные ОС (MS DOS, MSX)в основном выполняют функцию предоставления пользователю виртуальной машины, делая более простым и удобным процесс взаимодействия пользователя с компьютером. Однозадачные ОС включат средства управления периферийными устройствами, средства управления файлами, средства общения с пользователем.

Многозадачные ОС (EC, OS/2, UNIX, Windows 95), кроме выполнения вышеперечисленных функций, управляют разделением совместно используемых ресурсов, таких как процессор, ОП, файлы и внешние устройства.

Поддержка многопользовательского режима. По числу одновременно работающих пользователей ОС делятся:

- На однопользовательские (MS DOS, W 3.x)

- Многопользовательские (UNIX, Windows NT)

Вытесняющая и невытесняющая многозадачность. Важнейшим разделяемым ресурсом является процессорное время. Способ распределения процессорного времени между несколькими одновременно существующими в системе процессами во многом определяет специфику ОС.

В основе любой ОС лежит принцип организации внешнего устройства хранения информации. Несмотря на то, что внешняя память может быть технически реализована на разных материальных носителях, их объединяет принятый в ОС принцип организации хранения логически связанных наборов информации в виде так называемых файлов.

4.2 ОС MS DOS и программная оболочка Norton Commander

Данная ОС длительное время господствовала на подавляющем большинстве ПК. Однако и сейчас ее роль в обеспечении процессов управления ЭВМ по-прежнему достаточно ощутима.

Составные части ОС MS DOS:

- Модуль расширения системы ввода/вывода (IO.SYS)

- Базовый модуль ОС (MSDOS.SYS)

- Командный процессор (командная оболочка) (COMMAND.COM)

- Внешние команды и драйверы, утилиты

- Инструментальные средства DOS (система программирования, текстовый редактор, отладчик DEBUG, реализующий простейшие функции тестирования и отладки программ).

Файл - логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которой во внешней памяти выделяется именованная область.

Файл служит учетной единицей информации в ОС. Любые действия с информацией в ОС осуществляется над файлами: запись на диск, вывод на экран, ввод с клавиатуры, печать, считывание информации CD-ROM и пр.

В файлах могут храниться разнообразные виды и формы представления информации: тексты, рисунки, чертежи, числа программы, таблицы и т.д. особенности конкретных файлов определяются их форматом. Под форматом понимается элемент языка, в символическом виде описывающий представление информации в файле.

Текстовая информация хранится в файле в кодах ASCII , в так называемом тестовом формате. Содержимое тестовых файлов можно просмотреть на экране дисплея с помощью разных программных средств, в том числе и в MS DOS.

Любой другой файл с нетекстовой информацией просмотреть теми же средствами, что и текстовый файл, не удается. При просмотре на экран будут выводиться абсолютно непонятные символы.

Для характеристики файла используются следующие параметры:

- Полное имя файла

- Объем файла в байтах

- Дата создания файла

- Время создания файла

- Специальные атрибуты файла

R (read Only) - только для чтения

H (Hidden)- скрытый файл

S (System) - системный файл

A (Archive) - архивированный файл

С понятием файла в MS DOS тесно связано понятие логического диска. Логический диск создается и управляется специальной программой (драйвером). Он имеет уникальное имя в виде одной латинской буквы, например, C, D, E, F и т.д. Логический диск может реализовываться на жестком диске, на гибком диске, на CD-ROM, в ОП (Электронный диск) и т.п. На одном физическом диске может быть создано несколько логических дисков.

Имя файла всегда уникально и служит для отличия одного файла от другого. Имя файла состоит из двух частей и образуется не более чем из восьми символов, причем используются только буквы латинского алфавита. При образовании имени нельзя использовать русские буквы и символы *. ?:;<>=пробел.

Тип файла служит для характеристики хранящейся в файле информации и образуется не более чем из трех символов, причем используются, как и при образовании имени, только буквы латинского алфавита.

Файловая система - часть ОС, управляющая размещением и доступом к файлам и каталогам на диске.

Путь - цепочка соподчиненных каталогов, которую необходимо пройти по иерархической структуре к каталогу, где зарегистрирован искомый файл. При задании пути имена каталогов записываются в порядке следования и определяются друг от друга символом \.

Например, С: \ HOME1\HOME2

Текущим диском является жесткий диск С. Текущим каталогом - каталог второго уровня HOME2, входит в каталог первого уровня HOME1, который, в свою очередь зарегистрирован в главном каталоге.

Например: B: BETA.DAT - файл BETA с данными находится на диске В.

Или , например, полное имя файла 78.txt, находящегося в каталоге PRIKAZ диска С: записывается так:

C:\PRIKAZ\78.txt

Шаблон имени файла - специальная форма, в которой в полях имени и типа файла используются символы * или?

Символ * служит для замены любой последовательности символов. В шаблоне может быт использовано поле имени и типа по одному символу *.

Например, задав имя *. TXT Вы обратитесь ко всем текстовым файлам.

Задав имя СD*.* Вы обратитесь ко всем файлам, имя которых начинается на CD .

Символ ? служит для замены одного символа. В шаблоне может быть использовано несколько таких символов.

Например, RT??.BAS позволит обратиться ко всем файлам типа BAS, имя которого состоит из четырех символов, причем первые два символа обязательно RT, третий и четвертый - любые.

Каталог - справочник файлов с указанием месторасположения на диске.

Текущий (активный) каталог - каталог, в котором работа пользователя производится в текущее машинное время.

Пассивный каталог - каталог, с которым в данный момент времени не имеется связи.

В организационной системе MS DOS принята иерархическая структура организации каталогов. На каждом диске всегда имеется единственный главный (корневой) каталог. Он находится на 0-м уровне иерархической структуры и обозначается символом «\». Корневой каталог создается при форматировании (инициализации, разметке) диска, имеет ограниченный размер и не может быть удален средствами DOS. В главный каталог могут входить другие каталоги и файлы, которые создаются командами ОС и могут быть удалены соответствующими командами.

Нельзя перейти из главного каталога сразу в каталог например, 5-го уровня. Нужно обязательно пройти через все предыдущие каталоги высшего уровня.

Общие сведения о командах

Команды - способ общения пользователя с компьютером в ОС.

Командная строка - строка экрана, начинающаяся с приглашения ОС.

Формат команды - правило формирования команды пользователем с клавиатуры.

При формировании команды придерживайтесь следующими правилами:

- Формат команды состоит из имени команды латинскими буквами (без типа) и отделенных от нее одним пробелом параметров, уточняющих ее действие;

- В большинстве случаев параметры между собой пробелом не разделяются, а в качестве разделителя часто используется символ \;

- Параметрами могут быть: имя дисковода, путь, имя файла, тип файла, латинские буквы, символы, цифры;

- Присутствие параметров в формате часто бывает необязательным, что указывается с помощью квадратных скобок [ ];

Программы - оболочки

Операционная система MS DOS располагает всеми возможностями для организации диалога пользователя с компьютером, однако использовать их в текущей работе крайне неудобно. Поэтому в ПК операционная система MS DOS загружается вместе с другой программой - системной оболочкой, целью которой является облегчение работы пользователя с операционной системой:

1. Системная оболочка дает информацию о программах пользователя, записанных на соответствующем диске компьютера.

2. Системная оболочка делает для пользователя процесс работы с компьютером видимым, а следовательно, более управляемым. Мы можем корректировать процесс работы, так как видим на экране все выполняемые действия.

3. Системная оболочка освобождает пользователя от необходимости набирать нужные ему команды в английском регистре на клавиатуре, что избавляет от большого числа ошибок. Здесь к услугам пользователя предоставлены функциональные клавишу, нажатие которых заменяет набор соответствующих команд на клавиатуре.

NORTON COMMANDER.

Пакет программ Norton Commander позволяет получать в наглядном виде информацию о компьютере, оперативной памяти и ее загрузке, осуществлять поиск файлов и каталогов, редактировать текстовые фалы, работать с архивными файлами и т.д.

Для того чтобы начать работу с пакетом, необходимо ввести в командную строку команду для запуска программы-загрузчика:. >NC

Оболочка Norton Commander, несомненно, является самой распространенной из используемых в настоящее время

Общая характеристика оболочки.

Оболочка Norton Commander разработана американской фирмой Peter Norton Computing, которая с 1990 г. входит в состав корпорации Symantec.

Оболочка Norton Commander обеспечивает:

1. Отображение деревьев каталогов и содержимого каталогов (характеристик входящих в них файлов) в форме, наиболее удобной для восприятия человеком, в результате чего пользователь перестает чувствовать себя слепцом, не видящим на своих дисках ровным счетом ничего;

2. выполнение всевозможных действий с каталогами, файлами и целыми поддеревьями файловых структур, включая их создание, копирование, пересылку, переименование, удаление и поиск, а так же смену атрибутов файлов;

3. в максимальной степени естественную работу с архивами, включая отображение их содержимого, а также создание, обновление и распаковку архивов (архив представляет собой файл, в котором находится группа сжатых по специальному алгоритму файлов);

4. визуализацию файлов, подготовленных популярными текстами и графическими редакторами, системами управления базами данных, электронными таблицами и другими прикладными программами;

5. подготовку текстовых файлов;

6. выполнение из ее среды практически всех команд DOS;

7. запуск программ, для чего используются различные, наиболее удобные для пользователя способы;

8. выдачу информации о компьютере в целом, о дисках и об оперативной памяти;

9. поддержку межкомпьютерной связи через последовательный или параллельный порт (с использованием модуля Commander Link);

10. поддержку электронной почты через модем по телефонным линиям связи (при помощи модуля Term90, разработанного для корпорации Symantec фирмой BAUSCH datacom GmbH).

Оболочка Norton Commander, как и любая другая оболочка, упрощая взаимодействие пользователя с ПК, полностью все же не освобождает его от необходимости знать пользовательский интерфейс DOS, так как многие функции доступны только на уровне системы или реализуются на этом уровне гораздо эффективнее.

4.3 ОС Windows: концепция, основные понятия

В конце 80-х, наметился значительный прорыв в области электроники, результатом чего стало появление значительно более мощных ПК. В этих условиях проявились недостатки ОС MS DOS, такие как «недружелюбность» к пользователю, отсутствие многозадачности, отсутствие средств проектирования интерфейса и др. Для устранения указанных недостатков потребовалось более совершенные разработки, чем стала ОС MS Windows .

В MS DOS весь цикл работы программ представляет собой последовательность заранее установленных процедур - процедуры ввода, преобразования, расчетов и т.д. Поэтому данная среда называется процедурной.

ОС Windows (W) имеет великолепный интерфейс, это мощное средство интеграции различных программ, система представляет пользователю богатый сервис - разнообразный выбор рабочих инструментов, обеспечивающих максимальные удобства при работе с документами, система поддерживает многопоточные приложения, способные запускать параллельно несколько процессоров.

ОС W является многозадачной, т.е. она способна «одновременно» выполнять несколько программ. На самом деле один микропроцессор может выполнять инструкции только одной программы. Однако ОС настолько оперативно реагирует на потребности той или иной программы, что создается впечатление одновременности их работы. Например, в процессе подготовки текста можно параллельно печатать содержимое какого-либо файла и проверять на вирус жесткий диск.

Пользовательский интерфейс W использует графический режим видеомонитора. Основу нового графического интерфейса пользователя составляет хорошо продуманная система окон, располагающаяся на экране монитора и включающая множество разнородных графических объектов для управления работой компьютера. Тем самым реализуется идея создания электронного рабочего стола пользователя, на котором размещаются электронные документы. Принятая концепция графического пользовательского интерфейса характерна для всех программных продуктов по W .

Известно, что для подключения нового периферийного устройства в среде ОС MS DOS пользователь должен обладать профессиональными знаниями: например, уметь написать файл конфигурации, знать структуру команды подключения необходимого драйвера. В среде W же система самостоятельно создает и изменяет файлы конфигурации, распознает конкретное техническое устройство и производит его автонастройку. Подобная технология получила название Plug and Play - «включай и работай».

Извечная компьютерная проблема - нехватка ОП, решается в среде W с помощью виртуальной (реально не существующей) памяти.

Виртуальная память - расширение адресного пространства задачи, полученное за счет использования части внешней памяти.

В ОП всегда находится часть виртуального пространства, выделяемого для решения задачи, остальная его часть располагается на дисковой памяти. Если ОП не хватает для обеспечения работы текущего (активного) приложения, то приложение или его часть, которые не используют в данный момент микропроцессор, выгружаются (вытесняются) из оперативной памяти на диск. На их место в ОП загружается (подкачивается) необходимый фрагмент активного приложения. Когда одному из выгруженных приложений передается управление, оно вновь загружается в ОП, что может привести к выгрузке на диск другого, пассивного в данный момент приложения. Т. о. , программы циркулируют между диском и ОП.

Поддержка виртуальной памяти позволяет открыть большое количество приложений одновременно, но выгрузка на диск и загрузка с диска снижает производительность компьютера.

Используемая для этой цели часть внешней памяти называется файлом подкачки, а описанный процесс подкачки известен по названием свопинг. Объем файла подкачки может в несколько раз превышать объем ОП.

Файл подкачки - файл на жестком диске, используемый для организации виртуальной памяти.

ОС W обеспечивает интерактивную работу с высококачественным звуком и видео при помощи специальных аппаратных и программных средств. Непременным атрибутом мультимедиа-компьютера являются звуковая карта, которая обеспечивает преобразование звука в компьютерную форму и обратно, и видеоплата, которая преобразует видеоинформацию в компьютерную форму и обратно. К звуковой плате подключаются различные акустические системы.

Основные понятия ОС Windows

1. Одно из главных (основных) понятий Windows - окно - прямоугольная область экрана, в которой могут размещаться различные программы, обрабатываемая информация, управляющие действия. Одновременно на экране может быть несколько окон. Любое приложение Windows работает в своем окне. Если окно закрыть, то работа программы прекратится.

Компоненты окна: границы - вертикальные и горизонтальные линии, проходящие по периметру окна, строка заголовка, системное меню, кнопки управления окном, меню, рабочая область окна, линейки прокрутки.

Если содержимое окна не помещается в нем, то на экране появляются «линейки прокрутки», с помощью которых можно прокручивать информацию в окне, щелкая кнопки прокрутки или перемещая бегунок вдоль по линейки. Черные треугольники в линейке называются «кнопками прокрутки», а серый выпуклый блок «бегунок».

В «строке состояния» отображается состояние окна. Также в ней находится «ушко» (в правом уголке), для изменения размеров окна. Попадая на него, мышка превращается в двунаправленную стрелку и тогда можно тащить указатель в сторону увеличения или уменьшения. Более того, изменять размеры окна можно, держась указателем мыши за его края (мышка при этом тоже должна быть двунаправленной).

С окном можно выполнять различные операции:

Для перемещения окна нужно взять его за заголовок и тащить в нужном направлении.

Для переключения между несколькими открытыми окнами нужно щелкнуть по нему в панели задач (по его кнопке).

Для упорядочивания нескольких окон нужно щелкнуть правой кнопкой в пустом месте панели задач и выбрать: окна каскадом, сверху вниз или слева направо.

Рабочий стол - поверхность экрана во время работы ОС Windows, пространство на котором мы работаем, и на котором могут находиться окна работающих программ, файлы, инструменты, значки.

Рабочий стол может иметь различную картинку - это фон, который можно менять по своему усмотрению.

На рабочем столе может находиться много объектов, но обязательными являются:

1) Папка «Мой компьютер» - отображает содержимое компьютера, в частности содержит значки дисков.

2) Папка «Мои документы» - содержит различные документы.

3) Папка «Корзина» - временно хранит удаленные объекты, которые легко можно восстановить.

4) Панель задач - проходит вдоль нижней границы экрана и не исчезает никогда, отображает названия запущенных программ и с помощью которой можно переключать эти программы. Условно делится на 3 части:

a) Кнопка «Пуск», с помощью которой можно запускать любые программы, создавать, искать, запускать документы, настраивать и завершать работу ОС. Кнопка Пуск открывает Главное меню, в котором есть следующие пункты:

- Программы - содержит список имеющихся программ

- Документы - содержит список из 15 недавно открываемых документов

- Настройка - позволяет выполнить настройку различных параметров

- Найти - позволяет найти на диске любой объект и указать его место

- Справка - вызывает целый справочный учебник по Windows^|98

- Выполнить - позволяет открыть любой объект после указания пути к нему

- Завершение работы - этот пункт используется обязательно при подготовке компьютера к выключению

b) Центральная часть называется областью уведомления и содержит сведения об открытых окнах (в виде кнопок)

c) Правая часть содержит ряд системных индикаторов. Например, текущее время, индикаторы переключения алфавита и т.д.

Значок - небольшое графическое изображение с краткой надписью, которое представляет на экране некоторую программу, окно, функцию, файл и т.п.

Ярлык - командный файл, с помощью которого можно осуществить быстрый доступ к какому-либо объекту.

Папка - используется для обозначения каталогов, групп программ, т.е. как бы «контейнер». Буфер обмена - специальная область памяти, используется для пересылки данных между приложениями, документами, а также внутри одного документа.

Панель управления (запускается через Главное меню или через окно Мой компьютер) используется для изменения режима работы ОС и пользовательского интерфейса, для установки программного и аппаратного обеспечения, для настройки параметров клавиатуры, мыши, экрана и т.д.

Значок Мой компьютер, расположенный на Рабочем столе, соответствует папке, отражающей содержание всего компьютера целиком. Чтобы просмотреть находящиеся на компьютере папки, файлы, диски, получить доступ к различным устройствам и их настройке, нужно дважды щелкнуть по значку. Корзина - это специальная папка, в которую изначально помещаются удаленные файлы. Эти файлы находятся в Корзине до тех пор, пока Корзина не будет очищена. До этого момента удаленные файлы можно восстановить в ту папку, из которой они были удалены. Но после очистки Корзины восстановить удаленный файл невозможно.

Включение и выключение компьютера

Для включения компьютера достаточно нажать на кнопку «POWER» и включить монитор. Если Вы закончили работу с компьютером, то не в коем случае его нельзя выключать, нажав на кнопку «POWER» не сделав соответствующей подготовки:

Закрыть все активные окна (окна всех работающих программ)>«ПУСК»>пункт «ЗАВЕРШЕНИЕ РАБОТЫ»>пункт «ВЫКЛЮЧИТЬ КОМПЬЮТЕР»>ОК>После появившегося разрешения «Теперь питание компьютера можно отключить», нажать кнопку «POWER» на системном блоке и при необходимости включить монитор.

Файлы и папки.

Вся информация в компьютере записывается и хранится в виде отдельных фрагментов, называемых файлами.

Файл - это совокупность однотипной информации на диске. Каждый файл имеет своё собственное (уникальное) название. Оно состоит из двух частей - собственно имени, которое дает сам пользователь и расширения, которое добавляет компьютер. Имя может содержать порядка 255 символов и не должно содержать знаков препинания. Расширение чаще состоит из трех символов, но может иметь и меньше символов.

Существуют стандартные расширения:

.doc- текстовый документ, напечатанный в редакторе Word,

.bmp- рисунок, нарисованный в редакторе Paint ,

.xls- лист таблицы Excel,

.hlp - файл - справка,

.exe и .com-готовые к выполнению программы,

.bat-пакетный файл, предназначенный для последовательного запуска нескольких программ. Это обычно текстовый файл, в котором набраны названия программных файлов, которые нужно выполнять в необходимом порядке.

.arj, rar, zip -файлы архивов,

.bak- файл - копия и другие.

Так как файлов на диске очень много, для их упорядочивания создаются папки, которые могут вкладываться в друг в друга.

Папка - используется для обозначения каталогов, групп программ, т.е. как бы «контейнер», в котором хранятся имена файлов.

Объектно-ориентированная платформа системы

Windows - это объектно-ориентированная среда, суть которого можно сформулировать следующим образом: не программы управляют данными, а данные управляет программами. Документ, если его рассматривать с позиций объектно-ориентированного программирования, вряд ли можно считать объектом, однако в W посредством самостоятельного механизма связи можно определить, каким приложением документ будет обрабатываться. Реализация данного подхода в W соответствует теории объектно-ориентированного управления и освобождает пользователя от необходимости помнить, каким именно приложением должен обрабатываться документ (достаточно дважды щелкнуть мышь по значку документа или файла и соответствующее приложение запускается, загружая этот документ в свое рабочее окно). Здесь каждая экранная картинка представляет собой совокупность некоторых объектов - окон, кнопок, флажков, списков. Каждый из этих объектов обладает своим свойством и поведением. «Жизнью» программ управляют соответствующие события - щелчок мышью, нажатие клавиши, ввод символа. Каждое событие порождает некоторое сообщение. Приняв сообщение, объект либо игнорирует его, либо выполняет операцию. В результате следует действие. Итак, элементы: процедуры, событие, сообщение, действие составляют в совокупности сущность объектно-ориентированного подхода, являющегося важной особенностью Windows как объектно-ориентированной технологии. Технологии Windows присущи механизмы (принципы), которые едины и используются при решении частных задач. К таким принципам относятся:

- Принцип «Указать и щелкнуть» - это самый общий принцип;

- Принцип «Выделить». При работе с текстовой информацией используются одни принципы выделения, а при работе с графической информацией - другие;

- Принцип «Переместить и оставить»;

- Буфер обмена;

- Технология OLE;

- Динамический обмен данными;

- Пункт меню- «Окно».

Обмен данными в среде W осуществляется либо через буфер обмен, либо перетаскиванием выделенного объекта мышью. Буфер обмена - это область памяти для временного хранения текущей информации. Oбмен данными через буфер обмен выполняется с помощью стандартных команд Вырезать (Cut), Копировать (Сopy) и Вставить(Paste).

Тема №5. Введение в программирование. Основы алгоритмизации задач. Алгоритмы и алгоритмизация

5.1 Определение и свойства алгоритмов

1. Алгоритм - это формально описанная вычислительная процедура, получающая исходные данные, называемые также входом алгоритма или его аргументов, и выдающая результат вычислений на выход.

Алгоритмы строятся для решения тех или иных вычислительных задач. Формулировка задачи описывает, каким требованиям должно удовлетворять решение задачи, а алгоритм, решающий эту задачу, находит объект, этим требованиям удовлетворяющий.

Алгоритм считают правильным, если на любом допустимом (для заданной задачи) входе он заканчивает работу и выдает результат, удовлетворяющий требованиям задачи. В этом случае говорят, что алгоритм решает данную вычислительную задачу. Неправильный алгоритм может вовсе не остановиться или дать неправильный результат.

Алгоритм может быть записан на русском или английском языке, в виде компьютерной программы или даже в машинных кодах - важно только, чтобы процедура вычислений была четко описана. Иногда алгоритм записывают с помощью псевдокода, который напоминает знакомые языки программирования (Си, Паскаль, Алгол). Разница в том, что иногда позволительно описывать действия алгоритма «своими словами», если так получается яснее.

Анализ алгоритмов

Рассматривая различные алгоритмы решения одной и той же задачи, полезно проанализировать, сколько вычислительных ресурсов они требуют (время работы, память), и выбрать наиболее эффективный.

Примеры

1. Вычислить значение функции у= х²

шаг 1. Взять (задать) конкретное значение аргумента х

шаг 2. Умножить х на х, вычислив х²

шаг 3. Напечатать полученный результат у= х²

При решении любой задачи на компьютере предполагается, что некоторая информация подвергнется обработке по предварительно составленной инструкции, называемой программой. Поэтому по решением задачи на компьютере подразумевается гораздо больший круг действий, чем только работа самого компьютера. Это действия делятся на ряд этапов, выполнение которых носит характер последовательного приближения к конечной цели.

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. Решение задачи начинается с ее постановки,, которая раскрывает содержание задачи и определяет конечную цель. Задача формулируется на уровне профессиональных понятий и выбирается общий подход к ее решению. Исходные положения и описания задачи должны быть корректны и понятны, так как ошибка в постановке задачи, обнаруженная на последующих этапах, приведет к необходимости начать решение задачи с самого начала. Для иллюстрации изложенного предположим, что перед нами стоит задача создать модель для оценки деятельности высшего учебного заведения (ВУЗ). На этапе постановки задачи в первую очередь нам будет необходимо определить конечную цель. Например, выберем в качестве критерия оценки работы ВУЗа профессиональный уровень получаемого студентами образования. Как правило, подобного рода критерии носят интегральный характер и зависят от огромного количества факторов. Нам нужно будет определить и описать все параметры и зависимости, влияющие на конечный результат. Например, своевременное получение учебный материалов, уровень подготовки преподавателей, оборудование аудиторий и многое другое по нашему усмотрению вплоть до расстояния от учебного корпуса ВУЗа до ближайшей автобусной остановки. При этом необходимо определить не только различные факторы и параметры, но и вес, то есть степень влияния на конечный результат. В итоге мы можем получить исходный материал для решения нашей задачи, состоящей из математических и логических формул и дополнительных описаний.

2. ПОСТРОЕНИЕ АЛГОРИТМА. Алгоритм - некоторая конечная последовательность предписаний (правил), определяющая процесс преобразования исходных и промежуточных данных в результат решения задачи. В нашем примере по созданию модели ВУЗа нам будет необходимо связать сформулированные на первом этапе зависимости между собой. В итоге мы должны будем получить подробную запись решения задачи, как правило, расписанную в виде отдельных процедур, соединенных между собой логическими связями. Предположим, что в наш алгоритм мы включили процедуру оценки влияния отмен и переносов занятий на качество подготовки студентов, которая должна влиять с какого- то определенного количества отмены занятий. Для этого в структуру алгоритма нам нужно будет включить блок, проверяющий выполнение следующего условия: «Количество переносов занятий больше N?». Если это условие не выполняется, осуществляется переход к очередной процедуре. Если это условие выполняется, сначала вносятся изменения в конечный критерий, а потом осуществляется переход к очередной процедуре. Таким образом, в итоге мы должны получить алгоритм решения нашей задачи в виде отдельных, не связанных между собой процедур, выполнение которых завершается расчетом критерия оценки качества подготовки студентов.

3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ.

Алгоритм - система правил, рецептов, инструкций. Алгоритм - точный порядок действий, определяющий процесс, ведущий от исходных данных к искомому результату и обладающий следующими свойствами:

- Определенностью, т.е. общепонятностью и точностью;

- Массовостью, т.е. возможностью использования различных данных при решении однотипных задач;

- Результативностью, т.е. направленностью на получение искомого результата;

- Дискретностью, при выполнении разбивается на конечную последовательность действий или шагов;

- Конечностью, т.е. должен выполняться за конечное время.

2. Для представления алгоритмов используются несколько способов:

- Словесный (описание на естественном человеческом языке);

- Графический (на языке блок-схем);

- С помощью символов специального языка проектирования программ-псевдокодов;

- С помощью одного из языков программирования.

Блок-схема - это графическая интерпретация алгоритма, представляющая набор геометрических фигур, каждая из которых изображает какую-либо операцию или действие.

Основные структуры алгоритмов - это ограниченный набор блоков и стандартных способов их соединений для выполнения типичных последовательностей действий.

Структурный подход предполагает использование только нескольких основных структур (линейных, ветвящихся, циклических), комбинация которых дает все многообразие алгоритмов и программ.

- Процесс решения задачи на ЭВМ состоит из восьми этапов:

- Первый - постановка задачи;

- Второй - ее математическое описание;

- Третий - алгоритмизация задачи;

- Четвертый - программирование;

- Пятый - разработка тестовой задачи;

- Шестой - перенос программы на машинные носители;

- Седьмой - отладка задачи;

- Восьмой - получение и анализ результатов.

5.2 Виды алгоритмов

1. Линейные алгоритмы - последовательность блоков, каждый из которых имеет по одному входу и одному выходу, и выполняется в программе один раз. Алгоритм линейной структуры (следование) - алгоритм, в котором все действия выполняются последовательно друг за другом в порядке, заданным схемой алгоритма. Например, алгоритм сложения двух чисел.

Рассмотрим алгоритм линейной структуры на примере определения площади треугольника по трем известным сторонам a,b и c с использованием теоремы Герона:, где p=0,5*(a+b+c).

2.Разветвляющиеся алгоритмы - алгоритмы, в котором в зависимости от значений некоторого признака производится выбор одного из нескольких направлений, называемых ветвями. В основе организации разветвления лежит проверка логического условия, которое может быть истинно или ложно. Частный вид логического условия - это операция типа =, ?,>,<,?,?.

Алгоритм разветвляющейся структуры (выбор) - алгоритм, в котором в зависимости от выполнения некоторого логического условия вычислительный процесс должен идти по одной или другой ветви, то есть вычисление будет осуществляться либо по одним, либо по другим формулам.

Согласно этой блок-схеме в зависимости от результата проверки условия выполняются только действия ветви «Да» (действия 1 и 2) или только ветви «нет» (действия 3 и 4).

В алгоритме решения квадратного уравнения происходит разветвление после проверки условия D >=0 . В общем случае число может быть больше двух.

Решение квадратного уравнения ax² + bx + c =0

В зависимости от значения подчеркнутого выражения D=b² - 4ac искомые результаты могут быть получены из выражений:

x_1,2= , где D0,

x_1,2=jz*w , где z=- , w= , если D0

3. Циклический алгоритм включает в себя многократно повторяющиеся участки вычислений для различных значений данных. Циклические алгоритмы по способу организации выхода из цикла можно разделить на арифметические и итерационные.

Алгоритм циклической структуры (повторение) - алгоритм, содержащий многократно выполняемые участки вычислительного процесса, называемые циклами. Внутри одного цикла могут размещаться один или несколько других.

Количество повторений в первых заранее известно или может быть легко вычислено. Количество повторений во вторых - заранее неизвестно. Выход из них осуществляется обычно по достижении заданной точности при последовательном приближении к искомому значению. В таких алгоритмах часто последующий член вычисляют, производя математические операции над предыдущим. Эти вычисления осуществляются на всех шагах цикла по единой формуле, которая называется рекуррентной.

Одна из изменяющихся в арифметическом цикле переменных выбирается в качестве параметра цикла.

Для организации цикла необходимо выполнить три действия :

- Задать начальное значение параметра цикла;

- Задать правило изменения параметра цикла;

- Задать условие окончания цикла.

Согласно этому алгоритму пока выполняется условие, будет повторяться действия 1 и 2.

4. Вспомогательный алгоритм (подпрограмма) - алгоритма, разработанный ранее и включаемый в основной алгоритм в качестве отдельного элемента. Блок - схема обращения к подпрограмме выглядит следующим образом:

Базовые алгоритмы

1. Основные сведения о структурных данных.

2. Базовые алгоритмы обработки последовательностей и массивов.

1. Структурные типы и структуры данных

Большинство императивных языков программирования, в частности язык Паскаль, поддерживают парадигму «структурного программирования». В частности это проявляется в том, понятие «структура» входит в программу не только на уровне общего ее построения, но и предусматривает структурирование самой логики программы и структурирование используемых данных.

Принцип «структурирования данных» воплощается в типизации языка, т.е. наделении языка программирования строгой системой предопределенных типов, комбинируя которые программист может создавать свои собственные структурные типы, причем уже не только простые, но и представляющие собой сложные конструкции - структуры данных.

Возможность создания новых типов данных очень важна, так как моделирование всевозможных реальных процессов является одной из основных областей применения ЭВМ. Моделирование приводило к абстракции, т.е. к упрощенному (или обобщенному) представлению объектов, их свойств и отношений в зависимости от поставленной задачи. Некоторые такие абстрактные объекты из-за своих полезных качеств стали необычайно «популярны». Они получили точную спецификацию и с тех пор стали называться абстрактными типами данных (или АТД). Наиболее популярные АТД - стеки, очереди, деки, списки, деревья, упорядоченные множества.

Массив - это одно- (или многомерная) таблица данных одного типа. Каждая ячейка таблицы имеет свой индекс (или набор индексов в случае многомерного массива). Массив называют структурой данных со случайным доступом, поскольку к любому элементу массива можно обратиться, просто указав его индексы, т.е. все элементы одинаково доступны в любой момент времени. Основные характеристики массива - общий тип его элементов и их количество. Количество элементов массива определяется количеством индексов и диапазоном их изменения. Главным недостатком этой структуры является то, что в некоторых системах программирования под переменную выделяется ограниченное количество памяти, что не позволяет использовать массивы больших размеров, во-вторых, потому что нет возможности изменять размер массива.

Записи. Запись - связанная структура, состоящая из нескольких элементов (полей) разных (можно и одинаковых) типов. По сути, запись очень похожа на одномерный массив, но с элементами разных типов, кроме того, доступ к конкретному полю записи осуществляется уже не через индекс, а указанием идентификатора (имени) этого поля.

Файлы. Файл - динамическая структура данных, размер которой может меняться в процессе выполнения над ним каких-либо действий (размер файла может быть равен нулю, что соответствует пустому файлу). Файл - структура, состоящая из последовательности компонент одного типа. В каждый момент времени может быть доступен только один элемент файла. Существует несколько видов файлов. Текстовые файлы трактуются как последовательности строк переменной длины. В конце каждой строки ставится специальный признак конца строки EOLN. Типизированные файлы - последовательности компонент определенного типа. Длина любого элемента типизированного файла строго постоянна, что дает возможность организовать прямой доступ к каждому компоненту. Нетипизированные файлы отличаются тем, что для них не указан тип компонент. Такой подход делает нетипизированные файловые переменные совместимыми с файлами любых типов, а также позволяет организовать высокоскоростной обмен данными между оперативной и внешней памятью.

Динамические структуры. Работа с динамической памятью. Динамический объект представляет собой область памяти без идентификатора. Для обращения к этой области заводится специальная ссылочная переменная, которая описывается в программе. Элементами множества значений ссылочного типа являются значения адресов оперативной памяти. Чаще всего динамические структуры состоят из объектов, являющихся записями из нескольких полей, одна или несколько из которых являются ссылками на такой же объект. Таким образом можно составлять цепочки или более сложные структуры ссылающихся друг на друга объектов. Размер таких структур ограничивается только объемом свободной памяти и может легко меняться при удалении и создании объектов, что и определило основную область их применения - моделирование нелинейных последовательных структур данных (например, деревьев). Однако, несмотря на кажущееся отсутствие недостатков, динамические структуры тоже имеют свои минусы. Главный из них - отсутствие наглядности программы - вызывает трудности при создании особо крупных структур.

Представление абстрактных типов данных (АТД). Моделирование абстрактных типов данных на конкретных структурах данных языка программирования не является однозначным. Практически любой АТД может быть эффективным образом представлен как на массиве, так и на файле или на динамической структуре, но чаще всего конкретное представление диктуется особенностью доступа к элементам рассматриваемого абстрактного типа.

Стек. Стек - структура данных, представляющая собой последовательность элементов. Добавление и удаление элементов происходит только с одного конца последовательности, т.е. при изменении структуры предыдущая последовательность остается неизменной.

Это значит, что по идее идеальной структурой представления для стека должен быть файл. Действительно, добавление элементов происходит только в конец файла, однако при удалении последнего элемента придется два раза переписывать весь файл, причем с подсчетом элементов. Это главный недостаток файла - для удаления компоненты требуется слишком много действий. С другой стороны время удаления элементов из файла не зависит ни от положения этого элемента в файле, ни от количества удаляемых элементов - это плюс!

Реализация стека с помощью массива позволяет уравнять время выполнения действий по добавлению и удалению элемента. Нужно всего лишь хранить в отдельной переменной длину последовательности и увеличивать ее или уменьшать соответственно при добавлении и удалении. Единственный недостаток такого представления - недостаток самого массива - ограниченный размер, приводящий к переполнению стека.

Использование динамических структур полностью решает эту проблему. В этом случае при добавлении и удалении элемента модифицируется только ссылка на начало цепочки динамических объектов, что снижает до минимума количество используемых для действия операторов. При этом размер стека почти неограничен.