Беседина_Инф

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

С.В. Беседина

ИНФОРМАТИКА

Учебно-методическое пособие

Издательско-полиграфический центр

Воронежского государственного университета

2009

3

Тема 1 ВВЕДЕНИЕ В ИНФОРМАТИКУ. ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИЯ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ

Информация — это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают ин- формационные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы.

Можно назвать следующие свойства информации: достоверность, пол- нота, ценность, своевременность, понятность, доступность, краткость, и др.

Обработка информации — получение одних информационных объек-

тов из других информационных объектов путем выполнения некоторых алгоритмов.

Средства обработки информации — это всевозможные устройства и системы, созданные человечеством, и в первую очередь, компьютер — универсальная машина для обработки информации.

Информационные ресурсы — это идеи человечества и указания по их реализации, накопленные в форме, позволяющей их воспроизводство.

Информационная технология — это совокупность методов и уст- ройств (технические и программные средства), используемых людьми для обработки информации.

Информатизация общества — организованный социально- экономический и научно-технический процесс создания оптимальных ус- ловий для удовлетворения информационных потребностей на основе фор- мирования и использования информационных ресурсов.

Инфоpматика — это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру, общие свойства, закономерно- сти и методы создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения информации в различных сферах человеческой деятельности.

В качестве единицы информации условились принять один бит (англ. bit — binary digit — двоичная цифра). Бит в теории информации — коли- чество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений. В вычислительной технике битом называют наименьший объ- ем памяти, необходимый для хранения одного из двух знаков «0» и «1», используемых для внутримашинного представления данных и команд.

На практике чаще применяется более крупная единица — байт, равная восьми битам. Это количество битов требуется для того, чтобы закодиро- вать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256 = 28).

Представление информации в двоичном виде называется двоичным кодом.

Широко используются более крупные единицы информации:

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

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

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

4

∙1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт,

∙1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт.

Система счисления — это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков. В частности, это могут быть цифры и буквы.

Существуют позиционные и непозиционные системы счисления. В не- позиционных системах вес цифры (т. е. тот вклад, который она вносит в зна- чение числа) не зависит от ее позиции в записи числа. Так, в римской системе счисления в числе ХХХII (тридцать два) вес цифры Х в любой позиции равен просто десяти. В позиционных системах счисления вес каждой цифры изме- няется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число. Например, в числе 757,7 первая семерка означает 7 сотен, вторая — 7 единиц, а третья — 7 десятых долей единицы.

Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием. Основание позиционной системы счисления — это количество различных

знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе. За основание системы можно принять любое натуральное число —

два, три, четыре и т. д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем: двоичная, троичная, четверичная и т. д. Запись чисел в каждой из систем счисления с основанием q означает сокращенную за-

пись выражения

an–1 qn–1 + an–2 qn–2 + ... + a1 q1 + a0 q0 + a–1 q–1 + ... + a–m q–m,

где ai — цифры системы счисления; n и m — число целых и дробных разрядов, соответственно.

Кроме десятичной широко используются системы с основанием, яв- ляющимся целой степенью числа 2, а именно:

∙двоичная (используются цифры 0, 1);

∙восьмеричная (используются цифры 0, 1, ..., 7);

∙шестнадцатеричная (для первых целых чисел от нуля до девяти исполь- зуются цифры 0, 1, ..., 9, а для следующих чисел — от десяти до пятнадца- ти — в качестве цифр используются символы A, B, C, D, E, F).

Тема 2 АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА

Компьютер представляет собой программируемое электронное уст- ройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) — за- ранее заданных, четко определённых последовательностей арифметиче- ских, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последователь- ность отдельных команд.

5

Команда — это описание операции, которую должен выполнить ком- пьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), ис- ходные данные (операнды) и результат.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называет- ся системой команд этого компьютера.

Алгоритм — точное указание исполнителю последовательности дей- ствий, выполнение которых приводит к решению поставленной задачи.

Программа — последовательность команд, описывающих решение определенной задачи.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров поло- жены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. амери- канским ученым Джоном фон Нейманом.

Принципы Фон-Неймана

1.Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматиче- ски друг за другом в определенной последовательности.

2.Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3.Принцип адресности. Структурноосновная память состоит из пере- нумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступ- на любая ячейка.

Архитектурой компьютера называется его описание на некото- ром общем уровне, включающее описание пользовательских возможно- стей программирования, системы команд, системы адресации, органи- зации памяти, структуры компьютера и т. д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение ос- новных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры раз-

ных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Уровни архитектуры

1.Самым нижним уровнем является уровень физических устройств.

2.Цифровой логический уровень — здесь происходит обработка ин- формации в двоичном виде.

3.Микроархитектурный уровень — простейшие арифметические операции (арифметико-логическое устройство).

4.Уровень архитектуры команд.

5.Уровень операционной системы.

6.Уровень языка ассемблера.

7.Уровень языков высокого уровня.

6

Аппаратное обеспечение

Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметиче- ские и логические операции, заданные программой, управляет вычислитель- ным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Функции процессора:

∙обработка данных по заданной программе путем выполнения ариф- метических и логических операций;

∙программное управление работой устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит:

∙арифметико-логическое устройство;

∙шины данных и шины адресов;

∙регистры;

∙счетчики команд;

∙кэш — очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

∙математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Основными параметрами процессоров являются:

∙тактовая частота;

∙разрядность;

∙рабочее напряжение;

∙коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты;

∙размер кеш памяти.

С другими устройствами, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан группами проводников, которые называются шинами.

Основных шин три:

∙шина данных,

∙адресная шина,

∙командная шина.

Адресная шина. Данные, которые передаются по этой шине трактуют- ся как адреса ячеек оперативной памяти. Именно из этой шины процессор считывает адреса команд, которые необходимо выполнить, а также дан- ные, с которыми оперируют команды.

Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из опе- ративной памяти в регистры процессора и наоборот.

Командная шина. По этой шине из оперативной памяти поступают ко- манды, выполняемые процессором. Команды представлены в виде байтов.

Память.

Функции памяти:

∙прием информации из других устройств;

∙запоминание информации;

∙выдача информации по запросу в другие устройства машины.

7

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory —

память с произвольным доступом) — это быстрое запоминающее устрой- ство не очень большого объёма, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых про- грамм и данных, обрабатываемых этими программами. Оперативная па- мять используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает.

Основные характеристики модулей оперативной памяти:

∙объем памяти;

∙время доступа.

Характеристики:

∙пропускная способность;

∙время доступа, т. е. временная задержка между запросом на выдачу какой-либо информации из памяти и ее реальной выдачей;

∙разрядность модуля, т. е. ширина той шины, по которой происходит доступ к конкретному модулю, или количество контактов, по которым пе- редаются биты данных.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory — память только для чтения) — энергонезависимая память, используется для хране- ния данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памя- ти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти — модуль BIOS. BIOS (Basic Input/Output System — базовая система ввода-вывода) —

совокупность программ, предназначенных для автоматического тестиро- вания устройств после включения питания компьютера и загрузки опера- ционной системы в оперативную память.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер.

В состав внешней памяти компьютера входят:

∙накопители на жестких магнитных дисках;

∙накопители на гибких магнитных дисках;

∙накопители на компакт-дисках;

∙накопители на магнито-оптических компакт-дисках;

∙накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.;

∙флеш-накопители.

Характеристики жесткого диска:

∙ время доступа — время за которое получают доступ к нужному участку диска;

∙ скорость чтения / записи.

8

Аудиоадаптер (звуковая плата) это специальная электронная плата, которая позволяет записывать звук, воспроизводить его и создавать про- граммными средствами с помощью микрофона, наушников, динамиков, встроенного синтезатора и другого оборудования.

Видеоадаптер — это электронная плата, которая обрабатывает видео- данные (текст и графику) и управляет работой дисплея. Содержит видео- память, регистры ввода / вывода и модуль BIOS.

Характеристики:

∙память;

∙частота ядра;

∙шина памяти;

∙тип памяти;

∙поддерживаемая версия DirectX.

Монитор — устройство визуального отображения информации.

В зависимости от принципа действия, мониторы делятся:

∙на мониторы с электронно-лучевой трубкой;

∙дисплеи на жидких кристаллах.

Характеристики:

∙размер монитора;

∙разрешающая способность. В графическом режиме работы изобра- жение на экране монитора состоит из точек (пикселов). Количество точек по горизонтали и вертикали, которые монитор способен воссоздать четко и раздельно, называется его разрешающей способностью;

∙частота регенерации. Этот параметр иначе называется частотой кадровой развертки. Он показывает сколько раз в секунду монитор может полностью обновить изображение на экране. Частота регенерации измеря- ется в герцах (Гц).

Клавиатура — это стандартное клавишное устройство ввода, предна- значенное для ввода алфавитно-цифровых данных и команд управления.

Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает простейший интерфейс пользователя: с помощью клавиатуры руководят компьютерной системой,

ас помощью монитора получают результат.

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьюте- ра закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.

Виды:

∙матричные,

∙струйные,

∙лазерные.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображе- ний. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в па- мять компьютера.

9

Тема 3 ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

Под программным обеспечением (Software) понимается совокуп-

ность программ, выполняемых вычислительной системой.

Программное обеспечение — неотъемлемая часть компьютерной сис- темы. Оно является логическим продолжением технических средств. Сфе-

ра применения конкретного компьютера определяется созданным для него ПО. Сам по себе компьютер не обладает знаниями ни в одной области применения. Все эти знания сосредоточены в выполняемых на компьюте- рах программах. Программное обеспечение современных компьютеров включает миллионы программ — от игровых до научных.

Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в не- разрывной связи и взаимодействии. Состав программного обеспечения вы- числительной системы называется программной конфигурацией. Между программами существует взаимосвязь. Работа множества программ бази- руется на программах низшего уровня.

Междупрограммный интерфейс — это распределение программного обеспечения на несколько связанных между собою уровней. Уровни пред- ставляют собой пирамиду:

∙прикладной уровень,

∙служебный уровень,

∙системный уровень,

∙базовый уровень.

Каждый высший уровень базируется на программном обеспечении предшествующих уровней.

Базовый уровень является низшим уровнем программного обеспече- ния. Отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Ба- зовое программное обеспечение содержится в составе базового аппаратно- го обеспечения и сохраняется в специальных микросхемах постоянного за- поминающего устройства (ПЗУ), образуя базовую систему ввода-вывода BIOS. Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены во время эксплуатации.

Системный уровень является переходным. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие других программ компьютера с программа- ми базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программ этого уровня зависят эксплуатационные показатели всей вычис- лительной системы.

Служебный уровень. Программы этого уровня взаимодействуют как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Назначение служебных программ (утилит) состоит в автоматизации работ по проверке и настройки компьютерной системы, а также для улучшения функций системных программ. Некоторые служебные программы (про- граммы обслуживания) сразу входят в состав операционной системы, до-

10