Информатика и информационные технологии

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уральский государственный лесотехнический университет Кафедра информационных технологий ИНФОРМАТИКА И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. КУРС ЛЕКЦИЙ. ОСНОВНЫЕ АСПЕКТЫ. 2014 Оглавление Понятие и роль информатизации в развитии общества ............................................................ 3 Предмет и структура информатики ............................................................................................. 4 Сигналы, данные, информация ................................................................................................ 5 Меры и единицы количества и объема информации ............................................................... 10 Представление (кодирование) данных ..................................................................................... 13 Системы счисления ..................................................................................................................... 13 Преобразование чисел из одной системы счисления в другую .......................................... 15 Кодирование данных в ЭВМ .................................................................................................. 18 Кодирование чисел .............................................................................................................. 19 Кодовые таблицы................................................................................................................. 21 Представление звуковын даннын в двоичном коде ......................................................... 21 Представление графических данных в двоичном коде ....................................................... 22 Цветовые модели ................................................................................................................. 23 Модель RGB. ................................................................................................................................. 23 Модель CMYK............................................................................................................................... 25 Математические основы информатики ................................................................................. 27 Алгебра высказываний (булева алгебра)............................................................................... 26 Преобразование логических выражений................................................................................... 32 История развития ЭВМ ............................................................................................................... 35 Первое поколение -электронные лампы (1945-1955 гг.) ..................................................... 37 Второе поколение -транзисторы (1955-1965 гг.) .................................................................. 37 Третье поколение -интегральные снемы (1965-1980 гг.)..................................................... 38 Четвертое поколение -сверхбольшие интегральные схемы (с 1980 гг.) ............................ 39 Классификация компьютеров по сферам применения ........................................................ 40 Функциональная организация персонального компьютера .................................................... 42 Аппаратное обеспечение компьютера ................................................................................... 43 Архитектура ЭВМ ....................................................................................................................... 43 Принципы работы вычислительной системы ....................................................................... 44 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера ................................ 46 Состав персонального компьютера ....................................................................................... 46 Центральный процессор ......................................................................................................... 47 Системные шины и слоты расширения ................................................................................. 49 Запоминающие устройства ......................................................................................................... 50 Виды памяти ............................................................................................................................ 50 Внутренние запоминающие устройства ................................................................................ 51 Внешние запоминающие устройства..................................................................................... 51 Устройства ввода-вывода данных ............................................................................................. 52 Устройства ввода ..................................................................................................................... 52 Устройства вывода .................................................................................................................. 54 Программные средства реализации информационных процессов ......................................... 57 Классификация программного обеспечения ......................................................................... 57 Операционные системы .......................................................................................................... 58 Элементы пользовательского интерфейса операционной системы Windows ................... 58 Организация работы с файловой системой ............................................................................... 60 Файловая система .................................................................................................................... 60 Имена файлов ........................................................................................................................... 61 Атрибуты файлов..................................................................................................................... 61 Операции с файлами и папками ............................................................................................. 62 1 Служебное (сервисное) обеспечение Архиваторы ............................................................... 63 Диспетчер задач ....................................................................................................................... 64 Восстановление операционной системы ............................................................................... 64 Драйверы .................................................................................................................................. 64 Обслуживание дисков ............................................................................................................. 65 Модели решения функциональных и вычислительных задач ................................................ 66 Моделирование как метод познания ..................................................................................... 66 Классификация моделей ......................................................................................................... 66 Информационные модели ....................................................................................................... 67 Знаковые и вербальные модели ......................................................................................... 67 Функциональные и структурные модели .......................................................................... 67 Математические модели ..................................................................................................... 69 Компьютерные модели ....................................................................................................... 69 Этапы моделирования ............................................................................................................. 69 Алгоритмизация, языки и технологии программирования ..................................................... 71 Языки программирования высокого уровня ......................................................................... 71 Эволюция и классификация языков программирования ......................................... 71 Специализированные языки ................................................................................................... 72 Основные понятия алгоритмических языков программирования ...................................... 73 Типы данных ............................................................................................................................ 75 Структуры данных................................................................................................................... 75 Технологии программирования ................................................................................................. 76 Этапы решения задач на компьютерах.................................................................................. 76 Принципы проектирования комплексов программ .............................................................. 77 Интегрированные среды программирования ........................................................................ 78 Структурное программирование ............................................................................................ 79 Объектно-ориентированное программирование .................................................................. 80 Алгоритмизация и программирование ...................................................................................... 83 Понятие алгоритма и его свойства ........................................................................................ 83 Свойства алгоритма: ........................................................................................................ 83 Сети ЭВМ и защита информации ............................................................................................. 84 Локальные и глобальные сети ЭВМ ...................................................................................... 84 Классификация вычислительных сетей ............................................................................ 84 Топология вычислительной сети ........................................................................................... 85 Сетевые стандарты .................................................................................................................. 90 Сетевые технологии обработки данных ............................................................................ 92 Каналы связи ........................................................................................................................ 93 Передача данных в сети ...................................................................................................... 94 Коммуникационное оборудование .................................................................................... 96 Система адресации сети Интернет......................................................................................... 97 Сервисы Интернета ................................................................................................................. 99 Программы для работы в сети Интернет ............................................................................ 102 Поисковые системы Интернета ............................................................................................ 104 Основы защиты информации ................................................................................................... 106 Информационная безопасность ........................................................................................... 106 Идентификация и аутентификация ...................................................................................... 108 Управление доступом ....................................................................................................... 109 Протоколирование и сетевой аудит ................................................................................. 109 Экранирование ................................................................................................................... 110 Шифрование ....................................................................................................................... 111 Электронная подпись ........................................................................................................ 111 Антивирусная защита........................................................................................................ 112 2 ПОНЯТИЕ И РОЛЬ ИНФОРМАТИЗАЦИИ В РАЗВИТИИ ОБЩЕСТВА Современный период развития цивилизации характеризуется тем, что человечество переходит от индустриального общества к информационному. Основным перерабатываемым «сырьем» становится информация. Труд современников делается в меньшей степени физическим и в большей степени интеллектуальным. В мире накоплен громадный объем информации, но большинство людей не в состоянии в полном объеме воспользоваться этим благом в силу ограниченности своих психофизических возможностей и неумения применять новые информационные технологии обработки информации. Самыми мощными усилителями интеллектуальных способностей человека за всю историю развития цивилизации становятся компьютер и глобальные сети, объединяющие множество компьютеров. Внедрение ЭВМ, современных средств переработки и передачи информации в различные сферы деятельности послужило началом нового эволюционного процесса, называемого информатизацией в развитии человеческого общества, находящегося на этапе индустриального развития. Информатизация общества - организованный социальноэкономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов. Информационные ресурсы - отдельные документы и отдельные массивы документов в информационных системах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных, других информационных системах). Документы и массивы информации, не существуют сами по себе. В них в разных формах представлены знания, которыми обладали люди, создавшие их. Таким образом, информационные ресурсы - это знания, подготовленные людьми для социального использования в обществе и зафиксированные на материальном носителе. Информационная культура - умение целенаправленно работать с информацией и использовать ее для получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию, современные технические средства и методы. 3 ПРЕДМЕТ И СТРУКТУРА ИНФОРМАТИКИ Термин «информатика» (комбинация из слов «информация» и «автоматика») был введен в 1970-х годах прошлого века в связи с началом массового производства и широкого внедрения электронных вычислительных машин (ЭВМ). Информатика — это наука, предметом изучения которой являются процессы сбора, получения, передачи, хранения, накопления, отображения, использования, зашиты, преобразования и обработки информации. Таким образом, информатика - это наука об информации. В англоязычных странах термин не прижился, информатика там называется Computer Science - наука о компьютерах. Основные направления развития информатики можно подразделить на теоретическую и прикладную информатику. Теоретическая информатика включает теорию информации, информационное моделирование, методы измерения информации, алгебру логики, теорию алгоритмов, искусственный интеллект, теорию автоматов, теорию баз данных и представление знаний. Прикладная информатика включает вычислительные и информационные технологии, а также техническое и программное обеспечение информационных процессов. Информатика — это наука, изучающая:  методы реализации информационных процессов средствами вычислительной техники (СВТ);  состав, структуру, общие принципы функционирования СВТ;  принципы управления СВТ. Примеры вопросов: 1. Информатика и программирование, это …  равнозначные понятия;  непересекающиеся понятия;  умение пользоваться программным обеспечением;  неравнозначные понятия? 2. Прикладная информатика объединяет …  информатику, теорию машиностроения и теорию вероятности;  информатику, математику и физику;  информатику, вычислительную математику искусственный интеллект;  информатику, вычислительную технику и автоматизацию? 3. Основной задачей информатики не является …  систематизация приемов и методов работы с аппаратными средствами вычислительной техники;  накопление и обработка информации с целью получения новых 4 знаний;  систематизация приемов и методов работы с программными средствами вычислительной техники;  анализ и исследование физических параметров источников информации? СИГНАЛЫ, ДАННЫЕ, ИНФОРМАЦИЯ Информация — это: 1. В переводе с латинского языка (informatio) — разъяснение, изложение. 2. Для конкретного человека — интересующие его сведения об окружающем мире. 3. В широком смысле слова — отражение реального мира, выражаемое в виде сигналов и знаков. 4. В теории связи — сообщения в форме знаков или сигналов, которые хранятся, обрабатываются и передаются с помощью технических средств. 5. В теории управления — знания, которые используются в управлении для сохранения и развития системы. 6. В теории информации — сведения, которые уменьшают существующую до их получения неопределенность. 7. В философии — отраженное многообразие, возникающее в результате взаимодействия объектов. 8. В информатике — результат взаимодействия данных и методов их обработки, адекватных этим данным и решаемой задаче. Свойства информации: 1. достоверность — отражение истинного положения дел; 2. объективность — нет зависимости от чьего-либо мнения, суждения; 3. полнота — достаточность для принятия решения; 4. актуальность — необходимость в данный момент времени; 5. понятность — выражена на понятном для получателя языке; 6. доступность — возможность ее получения. Знание — это проверенный практикой результат познания человеком окружающего мира, эта та информация, которую человек понял, запомнил и применяет в своей деятельности. Виды знания: декларативные — «я знаю, что...»; процедурные — «я знаю, как...». 5 Сведенья – это сообщения, которые человек получает из различных источников Сообщения — это совокупность знаков или сигналов, отображающих ту или иную информацию. Данные - это зарегистрированные сигналы, представленные в форме, пригодной для хранения, передачи и обработки информации. Система передачи информации состоит из источника, передатчика, канала связи, приемника и получателя информации. Информация появляется в информационных процессах, которые всегда происходят в системах различной природы (социальных, биологических, технических). Информационный процесс — это последовательность действий, производимых с информацией. Наиболее значимыми информационными процессами являются процессы сбора, передачи, преобразования, обработки, накопления, хранения и использования информации. Хранение информации — это информационный процесс, в ходе которого информация распространяется во времени и в пространстве. Носитель информации — физическая среда, непосредственно хранящая информацию. Носителем информации может быть: материальный предмет (бумага, доска, дерево); волны (акустическая, электромагнитная, гравитационная); вещество (жидкость, газ). Хранилище информации — это определенным образом организованная информация на внешних носителях, предназначенная для длительного хранения и постоянного использования. Способы организации хранения информации в хранилищах: по алфавиту, тематике, индексу, мере поступления и т.п. Обработка информации — это информационный процесс, который связан с изменением формы представления информации или ее содержания. Передача информации — это информационный процесс, в ходе которого информация переносится с одного информационного носителя на другой. 6 Защита Источник информации Приемник информации Канал связи Шум Канал связи — это физическая среда, используемая для передачи информации на расстояние. По каналу связи информация передается с помощью сигналов. Сигнал — это физический процесс, который может передаваться по каналу связи. Сигнал Непрерывный Дискретный Сигнал, непрерывно и плавно изменяющий свои параметры во времени Сигнал, скачкообразно изменяющий свои параметры и принимающий конечное число значений за конечное число моментов времени Шум — это различные помехи, искажающие передаваемый сигнал по каналу связи. В качестве объектов могут выступать любые объекты материального мира. В информатике изучаются схемы информационного обмена между человеком и автоматом. Примеры вопросов: 1. Последовательностью информационных процессов, описанных в предложении: «Студент набрал текст реферата на компьютере»,является …  обработка - вывод;  обработка - передача;  ввод - хранение;  хранение - вывод? 2. Информация, представленная в виде, пригодном для переработки 7 автоматизированными или автоматическими средствами, определяется понятием …  агенты;  тезаурус;  данные;  сигналы? 3. Информационный процесс обеспечивается …  коммуникационными каналами;  информационными системами и средствами передачи данных;  аппаратным (техническим) обеспечением;  программным обеспечением? АТРИБУТИВНЫЕ СВОЙСТВА ИНФОРМАЦИИ Формы представления информации Существует множество форм и видов представления информации. По способу восприятия По форме представления По субъектам обмена По общественному значению Визуальная (зрительная) Аудиальная (звуковая) Обонятельная (запахи) Вкусовая Тактильная (осязание) Числовая Текстовая Графическая Звуковая Комбинированная Социальная Социотехническая Техническая Биологическая Генетическая Личная Специальная Общественная Особое значение имеет визуальная и звуковая информация. Визуальная информация может быть представлена в знаковой, графической и табличной форме, а звуковая - в виде устной словесной (вербальной) и музыкальной формы. Для хранения информации используются различные материальные носители информации (книги, пластинки, оптические диски и т.д.). Показатели качества информации Качественные характеристики информации определяет получатель информации. Одна и та же информация с точки зрения одного получателя может быть очень важной и ценной, а с точки зрения другого нет. Основными свойствами информации являются структурированность, смысл и ценность. 8 Структурированность, или синтаксические характеристики информации, позволяют выделять информацию из получаемых сигналов. Смысл, или семантические характеристики информации, позволяют определить цель, назначение и практическую значимость информации (прагматические характеристики). Ценность информации выражается в таких понятиях, как содержательность, актуальность, своевременность, адекватность, полнота и достоверность. Примеры вопросов: 1. К визуальной относится информация, которую человек воспринимает с помощью … - органов зрения. 2. Представление информации в виде слов определяет вербальный характер информации. 3. Верным является утверждение …  информационные процессы являются материальным носителем информации;  в качестве носителя информации могут выступать только световые и звуковые волны;  в качестве материального носителя информации могут выступать знания, сведенья или сообщения;  в качестве носителя информации могут выступать материальные предметы? 4. Виды информации между собой …  не связаны;  взаимопереплетаются;  взаимозависимы;  наследуются от одного вида? 5. Как называют информацию, достаточную для решения поставленной задачи? - полной. 6. Как называют информацию, существенную и важную в настоящий момент? - актуальной. 7. Прагматический аспект – это характеристика информации с учетом … полезности. 8. Семантический аспект – это характеристика информации с учетом …? ее смысла. 9. Свойство информации, которое характеризует степень ее соответствия реальности, это …. адекватность. 10. Информация достоверна, если она ...  отражает истинное положение дел;  используется в современной системе обработки информации;  достаточна для принятия решений;  полезна? 11. В семантическом аспекте информация .. 9  дает возможность раскрыть ее содержание и показать отношение между смысловыми значениями ее элементов;  определяет отношения между единицами данных;  определяет данные с учетом их практической полезности для получателя;  определяет значение символа естественного алфавита? МЕРЫ И ЕДИНИЦЫ КОЛИЧЕСТВА И ОБЪЕМА ИНФОРМАЦИИ Имеется несколько подходов, которые устанавливают количество информации в сообщении, при этом учитываются синтаксические и семантические характеристики информации. Комбинаторный подход Количество информации в комбинаторной мере - это число возможных комбинаций информационных элементов. Размещениями из n элементов по m называются такие их соединения, которые различаются друг от друга самими элементами и их порядком Например, размещения из трех элементов А, В, С по 2: АВ, АС, ВС, ВА, СА, СВ. Число всех размещений из n различных элементов по m равняется n!/(n-m)!. Перестановками из n элементов называются их соединения, отличающиеся друг от друга только порядком входящих в них элементов. Например, перестановки из трех элементов А, В, С: ABC, АСВ, ВСА, ВАС, CAB, CAB. Число перестановок из n элементов равняется n !. Сочетаниями из n элементов по m называются их соединения, отличающиеся друг от друга только самими элементами. Например, сочетания из трех элементов А, В, С по 2: АВ, АС, ВС. Число всех сочетаний из n различных элементов по m равняется n!/(( n - m)! m!). Примеры вопросов Количество комбинаций, которое можно получить путем перестановки букв, входящих в слово «WORD», равно...24 (перестановка)? Количество различных двузначных чисел, которые можно составить из цифр 1, 2, 3, 4 (все цифры в числе разные), равно ...12 (размещение)? Количество различных способов выбора (порядок не имеет значения) 2-х томов из 12-томного собрания сочинений Л.Н. Толстого равно ... 66 (сочетание)? АЛФАВИТНЫЙ ПОДХОД Количество информации I, приходящееся на один символ сообщения, 10 определяют по формуле Хартли: I = log2 N , где N — число возможных символов, которое может использоваться при передаче сообщения. Например, при передаче символов русского алфавита, который содержит 33 буквы, количество информации будет равно I = log2 33 = 5,04. Это значит, что для кодирования 33-х букв требуется 6 бит. Статистический подход Статистический подход базируется на понятии энтропии и служит для оценки меры информационной неопределенности, учитывающей вероятность появления событий. Количество информации определяется, как мера уменьшения неопределенности знаний о передаваемой информации. Формула Шеннона: n H   p log 2 pi 1 где N — число возможных символов, которое может использоваться при передаче сообщения; рi - вероятность появления i-го символа в сообщении. Количество информации, определяемое по формуле Шеннона, называют информационной энтропией. Энтропия при равенстве всех вероятностей имеет наибольшее значение, при этом формула Шеннона совпадает с формулой Хартли. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ Минимальной единицей измерения информации является бит. Бит это количество информации, которое можно записать в одном двоичном разряде. Двоичный разряд может принимать значение 1 или 0. Байт равняется 8 битам =23. Один байт может принимать 256 различных значений, (т. е можно закодировать 256 различных символов). Более крупными единицами информации являются: 1Кбайт (килобайт) = 1024 байт = 210 байт 1Мбайт (мегабайт) = 1024 Кбайт = 210 Кбайт = 220байт 1Гбайт (гигабайт) = 1024 Мбайт = 210 Мбайт = 230байт 1Тбайт (терабайт) = 1024 Гбайт = 210 Гбайт = 240байт 1Пбайт (петабайт) = 1024 Тбайт = 210 Тбайт = 250байт 1Эбайт (экзабайт) = 1024 Пбайт = 210 Пбайт = 260байт 11 1Збайт (зета байт) = 1024 Эбайт = 210 Эбайт = 270байт 1Йбайт (йота байт) = 1024 Збайт = 210 Збайт = 280байт 12 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ (КОДИРОВАНИЕ) ДАННЫХ Чтобы работать с данными различных видов, необходимо унифицировать форму их представления, а это можно сделать с помощью кодирования. Кодированием мы занимаемся довольно часто, например, человек мыслит весьма расплывчатыми понятиями, и, чтобы донести мысль от одного человека к другому, применяется язык. Язык — это система кодирования понятий. Чтобы записать слова языка, применяется опять же кодирование - азбука. Проблемами универсального кодирования занимаются различные области науки, техники, культуры. Вспомним, что чертежи, ноты, математические выкладки являются тоже некоторым кодированием различных информационных объектов. Аналогично, универсальная система кодирования требуется для того, чтобы большое количество различных видов информации можно было бы обработать на компьютере. Существуют различные способы записи чисел, например: можно записать число (123) в виде текста — сто двадцать три; римской системе счисления - СХХIII; арабской - 123. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ Совокупность приемов записи и наименования чисел называется системой счисления. Числа записываются с помощью символов, и по количеству символов, используемых для записи числа, системы счисления подразделяются на позиционные и непозиционные. Если для записи числа используется бесконечное множество символов, то система счисления называется непозиционной. Примером непозиционной системы счисления может служить римская. Например, для записи числа один используется буква I, два и три выглядят как совокупности символов II, III, но для записи числа пять выбирается новый символ V, шесть — VI, десять — вводится символ X, сто — С, тысяча — М и т.д. Бесконечный ряд чисел потребует бесконечного числа символов для записи чисел. Кроме того, такой способ записи чисел приводит к очень сложным правилам арифметики. Позиционные системы счисления для записи чисел используют ограниченный набор символов, называемых цифрами, и величина числа зависит не только от набора цифр, но и от того, в какой последовательности записаны цифры, т.е. от позиции, занимаемой цифрой, например, 125 и 215. Количество цифр, используемых для записи числа, называется основанием системы счисления, в дальнейшем его обозначим q. В повседневной жизни мы пользуемся десятичной позиционной системой счисления, q = 10, т.е. используется 10 цифр: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9. Число в позиционной системе счисления с основанием q может быть представлено в виде полинома по степеням q. Например, в десятичной 13 системе мы имеем число 123,45 = 1 * 102 + 2 * 101 + 3 * 100 + 4 *10-1 + 5 * 10-2, а в общем виде это правило запишется так: X(q)=xn_-1qn-1 + xn-2qn-2 +...+x1q1 + x0q0+ x-1q-1 + x-2q-2 +... + x-mq-m. Здесь X(q) - запись числа в системе счисления с основанием q; хi, — натуральные числа меньше q, т.е. цифры; n- число разрядов целой части; m - число разрядов дробной части. Записывая слева направо цифры числа, мы получим закодированную запись числа в q-ичной системе счисления: X(q) = Xn-lXn-2XlX0 , Х-1Х-2Х-m В информатике, вследствие применения электронных средств вычислительной техники, большое значение имеет двоичная система счисления, q = 2. На ранних этапах развития вычислительной техники арифметические операции с действительными числами производились в двоичной системе ввиду простоты их реализации в электронных схемах вычислительных машин. Правила двоичной арифметики Сложение 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=10 Если при сложении чисел сумма цифр окажется больше 1, то возникает перенос в старший разряд. Вычитание 0-0=0 1-0=1 1-1=0 10-1=1 Умножение 0*0=0 0*1=0 1*0=0 1*1=1 Если уменьшаемая цифра меньше вычитаемой, то нужно сделать «заем» единицы в старшем разряде. Последовательное умножение множимого на очередную цифру множителя с последующим сложением промежуточных результатов умножения. А значит, для реализации поразрядной арифметики в компьютере потребуются вместо двух таблиц по сто правил в десятичной системе счисления две таблицы по четыре правила в двоичной. Соответственно на аппаратном уровне вместо двухсот электронных схем — восемь. Но запись числа в двоичной системе счисления длиннее записи того же числа в десятичной системе счисления в log2 10 раз (примерно в 3,3 раза). Это громоздко и не удобно для использования. Поэтому, наряду с двоичной системой счисления, в информатике имеют хождение восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления. Восьмеричная система счисления имеет восемь цифр: 0 12 3 4 5 6 7. Шестнадцатеричная — шестнадцать, причем первые 10 цифр совпадают по 14 написанию с цифрами десятичной системы счисления, а для обозначения оставшихся шести цифр применяются большие латинские буквы, т.е. для шестнадцатеричной системы счисления получим набор цифр: 0123456789ABCDEF. Если из контекста не ясно, к какой системе счисления относится запись, то основание системы записывается после числа в виде нижнего индекса. Например, одно и то же число 2.31, записанное в десятичной системе, запишется в двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления следующим образом: 231(10)= 11100111(2)= 347(8)=Е7(16). Запишем начало натурального ряда в десятичной, двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах счисления. Десятичная Двоичная Восьмеричная Шестнадцатеричная 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 10000 10001 1 2 3 4 5 6 7 10 11 12 13 14 15 16 17 20 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 А В С D Е F 10 11 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЧИСЕЛ ИЗ ОДНОЙ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ В ДРУГУЮ 1. Для перевода двоичного числа в десятичное необходимо его записать в виде многочлена, состоящего из произведений цифр числа и соответствующей степени числа 2, и вычислить по правилам десятичной арифметики: Пример . Число 111010002 перевести в десятичную систему счисления. 2. Для перевода восьмеричного числа в десятичное необходимо его записать в виде многочлена, состоящего из произведений цифр числа и 15 соответствующей степени числа 8, и вычислить по правилам десятичной арифметики: Пример . Число 750138 перевести в десятичную систему счисления. 3. Для перевода шестнадцатеричного числа в десятичное необходимо его записать в виде многочлена, состоящего из произведений цифр числа и соответствующей степени числа 16, и вычислить по правилам десятичной арифметики: Пример . Число FDA116 перевести в десятичную систему счисления. 4. Для перевода десятичного числа в двоичную систему его необходимо последовательно делить на 2 до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный 1. Число в двоичной системе записывается как последовательность последнего результата деления и остатков от деления в обратном порядке. Пример. Число 2210 перевести в двоичную систему счисления. 5. Для перевода десятичного числа в восьмеричную систему его необходимо последовательно делить на 8 до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный 7. Число в восьмеричной системе записывается как последовательность цифр последнего результата деления и остатков от деления в обратном порядке. Пример. Число 57110 перевести в восьмеричную систему счисления. 16 6. Для перевода десятичного числа в шестнадцатеричную систему его необходимо последовательно делить на 16 до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный 15. Число в шестнадцатеричной системе записывается как последовательность цифр последнего результата деления и остатков от деления в обратном порядке. Пример. Число 746710 перевести в шестнадцатеричную систему счисления. 7. Чтобы перевести число из двоичной системы в восьмеричную, его нужно разбить на триады (тройки цифр), начиная с младшего разряда, в случае необходимости дополнив старшую триаду нулями, и каждую триаду заменить соответствующей восьмеричной цифрой (табл. 3). Пример. Число перевести в восьмеричную систему счисления. 8. Чтобы перевести число из двоичной системы в шестнадцатеричную, его нужно разбить на тетрады (четверки цифр), начиная с младшего разряда, в случае необходимости дополнив старшую тетраду нулями, и каждую тетраду заменить соответствующей шестнадцатеричной цифрой (табл. ). Пример. Число перевести в шестнадцатеричную систему счисления. 9. Для перевода восьмеричного числа в двоичное необходимо каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой. Пример. Число перевести в двоичную систему счисления. 10. Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичное необходимо каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной тетрадой. Пример. Число перевести в двоичную систему счисления. 11. При переходе из восьмеричной системы счисления в шестнадцатеричную и обратно, необходим промежуточный перевод чисел в двоичную систему. Пример 1. Число перевести в восьмеричную систему счисления. 17 Пример 2. Число перевести в шестнадцатеричную систему счисления. Примеры вопросов: 1. Если числа в двоичной системе счисления имеют вид 1112 и 1112 то их сумма в десятичной системе счисления равна …. 14. 2. Чему равно максимальное шестнадцатеричное двузначное число в десятичной системе счисления? - 255. 3. Какое число является недопустимой записью числа в троичной системе счисления? 300. 4. Укажите упорядоченную по убыванию последовательность значений …  5516; 558; 557;  558; 557; 5516;  557; 558; 5516;  558; 5516; 557; 5. Дан ряд двоичных чисел 1, 10, 11, 100, 101, … Следующим числом ряда является? 110. 6. Чему равна последняя цифра суммы чисел 558 и 568 в восьмеричной системе счисления? - 3. 7. Число 136 в двоичной системе счисления имеет вид … ? 10001000. 8. Чему равно число AF16 в двоичной системе счисления? 10101111 9. Чему равно число 1100112 в шестнадцатеричной системе счисления? 33. 10. Чему равна последняя цифра числа 7896543126710 в двоичной системе счисления? 1 11. Чему равно максимальное восьмеричное, кодируемое одним байтом? 3778 12. Чему равна сумма чисел Е16 и 68 представленная в двоичной системе счисления? 10100. 13. Какие два числа, представленные в различных системах счисления, равны по значению?  608 и 2044;  588 и 3064;  2014 418;  3004 и 518. 14. Энтропия в информатике – это свойство: 18  знаний;  данных;  условий поиска;  информации? 15. Энтропия максимальна, если:  события равновероятны;  информация засекречена;  события детерминированы;  информация точна? 16. Информацией называется:  зарегистрированные сигналы;  мера устранения неопределенности в отношении исхода некоторого события;  знаки, зафиксированные в определенной форме;  цифровые данные определенного формата, предназначенные для передачи? КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ В ЭВМ Кодирование – это процесс преобразования одной последовательности знаков в другую. Код (шифр) – это совокупность условных обозначений и правил для представления информации. Длиной кода (р) – называется такое количество позиций (разрядов), которое используется для кодирования знака. Емкость кода (е) – это количество вариантов, которое можно получить при данной кодовой комбинации: определенной длине кода и соответствующей мощности алфавита (z). e=zp КОДИРОВАНИЕ ЧИСЕЛ Для кодирования чисел используются 1, 2, 4, 8, 16 байт. Если число представляется на внутри машинном уровне, то на его хранение отводятся, по крайней мере, два байта. При хранении чисел один бит (крайний левый) отводится под знак числа. В вычислительной технике, с целью упрощения выполнения арифметических операций, применяют специальные коды (прямой, обратный и дополнительный). За счет этого облегчается определение знака результата вычисления арифметической операции, а операция вычитания чисел сводится к арифметическому сложению. Положительные числа хранятся в прямом коде, а отрицательные числа в дополнительном. 19 Прямой двоичный код - это такое представление двоичного числа, при котором знак плюс кодируется нулем в старшем разряде числа, а знак минус - единицей. При этом старший разряд называется знаковым. Например, числа +510 и -510, представленные в прямом четырехразрядном коде, выглядят так: + 510 = 0.1012; -510= 1.1012. Здесь точка условно отделяет знаковые разряды. Обратный код для отрицательных чисел получается из прямого кода с помощью инверсии, при которой единицы незнаковых разрядов заменяются нулями, а нули заменяются единицами. Например, число -510. в обратном коде выглядит так 1.0102 Дополнительный код для отрицательных чисел получается из обратного кода добавлением единицы к младшему разряду кода. Например, число -510 в обратном коде выглядит так 1.0112. Для положительных чисел прямой, обратный и дополнительный коды совпадают. Для дробных чисел используется формат хранения с плавающей точкой. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму. n=m*g p где m (<1) — мантисса числа; g - основание системы счисления; р - порядок числа. Пусть дано число в десятичной системе счисления 12,375. Преобразуем его в нормальную форму: 12,375 = 0, 12375*102. Пусть дано число в двоичной системе счисления 1100,011. Преобразуем его в нормальную форму: 1100, 011 = 0,1100011*2100. При хранении дробных чисел часть битов отводится для мантиссы числа, часть - для хранения порядка числа, а в крайнем левом бите хранится знак. Мантисса числа выражается в прямом коде, как для положительных, так и для отрицательных чисел. Различие проявляется только в значении знакового разряда. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ СИМВОЛЬНЫЙ И ТЕКСТОВЫЙ ДАННЫХ В ДВОИЧНОМ КОДЕ Для передачи информации между собой люди используют знаки и символы. Знак – элемент конечного множества, отличный от других. Символ – знак, наполненный смыслом. Язык – система символов и правил, с помощью которых создаются осмысленные сообщения, используемые для практического применения. Язык содержит алфавит (упорядоченный набор символов), синтаксис (правила записи), семантику (смысловая сторона языковой конструкции), 20 прагматику (практическое последствие применения текста). Мощность алфавита – это количество символов в алфавите. КОДОВЫЕ ТАБЛИЦЫ При вводе информации каждый символ (буквы, цифры, знаки пунктуации и др.) кодируются определенной последовательностью двоичных цифр в соответствии с международными стандартами кодирования, которые называются таблицами кодирования. Наиболее широкое распространение имеет кодовая таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange). В первой части таблицы (коды 0 - 127) содержатся коды латинских букв, цифр, знаков препинания и управляющих символов. Вторая часть таблицы (коды 128 255) предназначена для размещения символов национального алфавита. В разных странах, в разных операционных системах могут использоваться различные варианты второй половины кодовой таблицы, их называют расширениями ASCII. Система кодировки Unicode предназначена для поддержки символов национального алфавита. Набор знаков в кодировке Unicode имеет несколько форм представления. В большинстве случаев используется двухбайтная кодировка, что позволяет закодировать 65 536 символов. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ДАННЫХ В ДВОИЧНОМ КОДЕ Звук — это упругая продольная волна в воздушной среде. Чтобы ее представить в виде, читаемом компьютером, необходимо выполнить следующие преобразования Звуковой сигнал преобразовать в электрический аналог звука с помощью микрофона. Электрический аналог получается в непрерывной форме и не пригоден для обработки на цифровом компьютере. Чтобы перевести сигнал в цифровой код, надо пропустить его через аналогоцифровой преобразователь (АЦП). При воспроизведении происходит обратное преобразование - цифро-аналоговое (через ЦАП). Позже будет показано, что конструктивно АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера. Во время оцифровки сигнал дискретизируется по времени и по уровню. Дискретизация по времени выполняется следующим образом: весь период времени Т разбивается на малые интервалы времени Предполагается, что в течение интервала уровень сигнала изменяется незначительно и может с некоторым допущением считаться постоянным. 21 звук М Токовый аналог звука Упругая волна в воздушной среде АЦП КОМПЬЮТЕР Дискретизация двоичного кода Обработка кода U t Схема обработки звукового сигнала Качество кодирования звука зависит от: 1. Частоты дискретизации звука (d) — количество измерений в секунду (Герц). Частота дискретизации звука должна быть как минимум вдвое выше частоты колебаний сигнала. Диапазон значений: 8—96 кГц. 2. Глубины кодирования (квантования) звука ( b ) — количество двоичных разрядов (бит), используемых для кодирования уровня звука (амплитуды сигнала) за одно измерение. К = 2b, где К — количество различных уровней сигнала; b — глубина кодирования звука. 8 бит =>256 уровней звука. 16 бит => 65536 уровней звука. Объем аудиофайла: V =b*d* t * s К=2 b где V — объем звукового файла; К — количество уровней звука; b — глубина кодирования звука; d — частота дискретизации звука; t — длительность звучания файла; s — количество каналов звучания. Форматы представления звуковой информации: универсальный формат без сжатия (.wav); формат со сжатием ( .mp3, .wma, .ogg); специальный (нотный) формат ( .mid). Примеры вопросов: 22 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ В ДВОИЧНОМ КОДЕ Есть два основных способа представления изображений. Первый — графические объекты создаются как совокупности линий, векторов, точек — называется векторной графикой. Второй — графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и разных яркостей, распределенных по строкам и столбцам, - называется растровой графикой. Глубина цвета – это число разрядов, отводимых для кодирования цвета каждой точки, т. Е. количество битов на один пиксель. Глубина цвета измеряется в битах. Растр — прямоугольная сетка пикселей на экране монитора. Это двумерный массив точек, упорядоченных в строки и столбцы, который используется для представления изображения на экране монитора. Разрешающая способность экрана монитора — размер растра, задаваемого в виде произведения M*N, где М— количество точек по горизонтали, N — количество точек по вертикали (число строк). Количество цветов, воспроизводимых на экране монитора (К), и число бит, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель (b) (битовая глубина), связаны формулой: К=2b. Объем видеопамяти, необходимой для хранения одной страницы изображения V=b • М • N. ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ Модель RGB. пурпурный белый голубой желтый 23 Чтобы оцифровать цвет, его необходимо измерить. Немецкий ученый Грасман сформулировал три закона смешения цветов:  закон трехмерности - любой цвет может быть представлен комбинацией трех основных цветов;  закон непрерывности — к любому цвету можно подобрать бесконечно близкий;  закон аддитивности — цвет смеси зависит только от цвета составляющих. За основные три цвета приняты красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). В модели RGB любой цвет получается в результате сложения основных цветов. Каждый составляющий цвет при этом характеризуется своей яркостью, поэтому модель называется аддитивной. Эта схема применяется для создания графических образов в устройствах, излучающих свет, — мониторах, телевизорах. Глубина цвета (b) Размер палитры (К) 3 4 8 16 (High Color) 24 (True Color) 23=8 24=16 28=256 216=65536 224=16777216 Примеры модели RGB (b=3) (b=24) Цвет R G B Серый (100,100,100) Черный Синий Зеленый Голубой Красный Пурпурн. Желтый 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Черный (0, 0, 0) Синий (0, 0,255) Зеленый (0,255,0) Голубой (0,255,255) Красный (255,0,0) Пурпурн. (255,0,255) Желтый (255,255,0) Белый Белый (255,255,255) Форматы представления графической информации: растровые: .bmp, .рсх, .tif, .psd, .gif, jpg, .tga, img; векторные: .wmf, .eps, cdr, .dxf, .cgm. 24 Модель CMYK. В полиграфических системах напечатанный на бумаге графический объект сам не излучает световых волн. Изображение формируется на основе отраженной волны от окрашенных поверхностей. Окрашенные поверхности, на которые падает белый свет (т.е. сумма всех цветов), должны поглотить (т.е. вычесть) все составляющие цвета, кроме того, цвет которой мы видим. Цвет поверхности можно получить красителями, которые поглощают, а не излучают. Например, если мы видим зеленое дерево, то это означает, что из падающего белого цвета, т.е. суммы красного, зеленого, синего, поглощены красный и синий, а зеленый отражен. 25 Примеры вопросов: 1. Выберите вариант, в котором единицы измерения информации расположены в порядке убывания:  килобайт, мегабайт, гигабайт;  гигабайт, мегабайт, килобайт;  мегабайт, гигабайт, килобайт;  килобайт, гигабайт, мегабайт. 2. Выберите вариант, в котором объемы памяти расположены в порядке возрастания:  10 бит, 20 бит, 2 байта, 1 Кбайт, 1010 байт;  10 бит, 2 байта, 20 бит, 1 Кбайт, 1010 байт;  10 бит, 2 байта, 20 бит, 1010 байт, 1 Кбайт;  10 бит, 20 бит, 2 байта, 1010 байт, 1 Кбайт. 3. Чему равно максимальное шестнадцатеричное число, кодируемое одним байтом? FF 4. Чему равно наибольшее натуральное число, кодируемое 7 битами? – 127 5. Сколько состояний можно запомнить с помощью одного байта? 256 6. Для хранения в оперативной памяти символы преобразуются в:  графические образы;  числовые коды в шестнадцатеричной форме;  числовые коды в десятичной системе счисления;  числовые коды в двоичной системе счисления; 7. Системой кодирования символов, основанной на использовании 16разрядного кодирования символов является:  ISO;  ASCII;  UNICODE;  Windows Vista. 8. Минимальным элементом растрового изображения является:  ячейка;  пиксель;  дюйм;  растр. 9. В компьютерной графике 24-битовая цветовая триада RGB (255, 255, 255) представляет:  белый цвет;  красный цвет;  черный цвет;  синий цвет. 26 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ Как было отмечено ранее, информатика — прикладная наука, находящаяся на стыке многих наук. Вместе с тем она опирается на спектр разделов такой фундаментальной науки, как математика. Наиболее важное прикладное значение для информатики имеют булева алгебра, используемая в разработке алгоритмов программ и в синтезе цифровых устройств, теория множеств и теория графов, используемые в описании различных структур. АЛГЕБРА ВЫСКАЗЫВАНИЙ (БУЛЕВА АЛГЕБРА) Высказывание — это повествовательное предложение, которое либо истинно, либо ложно. В высказывании говорится о единственном событии. Высказывание «Москва - столица России» является истинным, а высказывание «Волга впадает в Черное море» — ложным. Не всякое предложение является высказыванием. К высказываниям не относятся вопросительные и восклицательные предложения; предложения, в которых не может быть единого мнения о том, истинны они или ложны. Из двух предложений можно образовать новые предложения с помощью союзов: «И», «ИЛИ», «ЕСЛИ... ТО...», «ТОГДА И ТОЛЬКО ТОГДА, КОГДА», также с помощью частицы «НЕ» или словосочетания «НЕВЕРНО, ЧТО», которые в алгебре высказываний называются логическими связками. Высказывания бывают простые и сложные. Простые высказывания заменяют логическими переменными, которые обозначаются большими латинскими буквами. Если высказывание истинно, то записывают А = 1, а если ложно, то А = 0. Логическая операция — действие, позволяющее построить сложное высказывание из данных высказываний, при котором значение истинности сложного высказывания полностью определяется значениями истинности исходных высказываний. К основным логическим операциям относятся инверсия, конъюнкция и дизъюнкция. Другие логические операции реализуются через основные операции. 27 1. Инверсия (от лат. inversio — переворачивание), или логическое отрицание. Определение (свойство инверсии): инверсия высказывания истинна, если высказывание ложно, и, наоборот, инверсия высказывания ложна, если высказывание истинно. Логическая связка: «не»; «неверно, что». Образование логического отрицания: присоединение частицы «не» к сказуемому простого высказывания А или добавлением слов «Неверно, что» в начале высказывания А. Обозначение: Ă, ¬, ‫ך‬, НЕ, NOT. Таблица истинности: Ă 1 А 1 Условное обозначение логического элемента «НЕ»: 2. Конъюнкция (от лат. conjunctio — связываю), или логическое умножение. Определение (свойство конъюнкции): конъюнкция двух высказываний истинна тогда и только тогда, когда оба высказывания истинны. Логическая связка: «и»; «а»; «но»; «хотя»; «однако». Образование логической конъюнкции: соединение двух высказываний А и В в одно с помощью союза «и». Обозначение: &, •, ^, AND, И. Таблица истинности: В А В А&В 1 1 1 1 1 28 Условное обозначение логического элемента «И»: X1 F & X2 3. Дизъюнкция (от лат. disjunctio — различаю), или логическое сложение. Определение (свойство дизъюнкции): дизъюнкция двух высказываний ложна тогда и только тогда, когда оба высказывания ложны. Логическая связка: или. Образование логической дизъюнкции: соединение двух высказываний А и В в одно с помощью союза «или», употребляемого в не исключающем, а объединяющем смысле. Обозначение: +, ٧, ИЛИ, OR. Таблица истинности: А 1 1 В 1 1 AvB 1 1 1 Условное обозначение логического элемента «ИЛИ»: X1 F F 1 X2 29 4. Строгая дизъюнкция (исключающее ИЛИ). Определение (свойство строгой дизъюнкции): строгая дизъюнкция двух высказываний ложна тогда и только тогда, когда оба исходных высказывания истинны или оба ложны. Логическая связка: «либо». Обозначение: , , XOR, Таблица истинности: А 1 1 В 1 1 А® В 1 1 5. Импликация (от лат. implicatio — тесно связываю), или логическое следование. Определение (свойство импликации): импликация двух высказываний ложна тогда и только тогда, когда из истинного высказывания посылки следует ложное следствие. Логическая связка: «если..., то...»; «из... следует ...»; «... влечет ...». Образование импликации: соединение двух высказываний А и В в одно выполняется таким образом, что «если А, то В»; «из А следует В»; «А влечет В». Обозначение:, Таблица истинности: А А В В 1 1 1 1 1 1 1 30 6. Эквивалентность (от фран. aequivalens — равноценное), или логическое равенство. Определение (свойство эквивалентности): эквивалентность двух высказываний истинна тогда и только тогда, когда оба высказывания истинны или оба ложны. Логическая связка: «...тогда и только тогда, когда...»; «...в том и только в том случае, когда...»; «...необходимо и достаточно...». Образование эквивалентности: соединение двух высказываний А и В в одно выполняется таким образом, что «А тогда и только тогда, когда В»; « А в том и только в том случае, когда В»; « А необходимо и достаточно для В». Обозначение: ,  Таблица истинности: А А В В 1 1 1 1 1 1 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ: 1)инверсия; 2)конъюнкция; 3)дизъюнкция; 4)импликация и эквивалентность. Порядок выполнения можно изменить с помощью скобок. Логическое выражение — символическая запись, состоящая из логических величин, объединенных логическими операциями (связками). Логическая функция — функция, в которой переменные принимают только два значения: логическая единица или логический ноль. Любая логическая функция может быть задана с помощью таблицы истинности, в левой части которой записывается набор логических аргументов, а в правой части — соответствующие значения логической функции. 31 ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ВЫРАЖЕНИЙ Табличный способ определения истинности сложного выражения имеет ограниченное применение, так как при увеличении числа логических переменных приходится пе ребирать слишком много вариантов. В таких случаях используют способ приведения формул к нормальной форме. Формула имеет нормальную форму, если в ней исполь зуются только знаки конъюнкции, дизъюнкции и отрицания, при этом знаки отрицания находятся только при переменных, и двойное отрицание отсутствует. 32 33 Типовыми логическими устройствами средств вычислительной техники являются полусумматор, сумматор, триггер и регистр. Сумматор — это типовое логическое устройство, которое выполняет последовательное или параллельное поразрядное сложение двоичных чисел. Сумматор является основным блоком арифметико-логического устройства центрального процессора компьютера. Регистр — типовое логическое устройство, служащее для устойчивого приема, хранения и выдачи многоразрядного двоичного числа. Триггер — это простейшее устройство последовательностного типа с двумя устойчивыми состояниями, предназначенное для ввода, хранения и вывода одного бита (разряда) информации в двоичных кодах. Логическая схема (а) и условное графическое обозначение (б) асинхронного триггера на элементах ИЛИ-НЕ 34 Примеры вопросов: 1. Логическими константами являются:  0 и 1;  not;  импликация;  А, В, С? 2. Логическая операция А ^ В называется конъюнкцией?; 3. Если отношение задано неравенством: х + 3у ≤ 0, то данному отношению принадлежит следующая пара чисел:  (0;0);  (1;3);  (2;2);  (-1;1). 4. Какому закону соответствует выражение (А*В)*С=А*(В*С)? – сочетательному. 5. Определить истинность составного высказывания (2*2=4 или 3*3=10) и (2*2=5 или 3*3=9):  ложно;  истинно;  не ложно и не истинно;  не истинно. 6. Равенство (A AND C) AND (B OR C)=1 выполняется при значениях:  А=1, В=0, С=1;  А=0, В=0, С=1;  А=1, В=1, С=1;  А=0, В=0, С=1; 7. Равенство (NOT A) AND B=1 выполняется при значениях:  А=1, В=0;  А=0, В=0;  А=0, В=1;  А=1, В=1; 8. Для выполнения логических вычислений при проектировании (синтезе) логических устройств ЭВМ используют:  реляционные таблицы;  таблицы состояний;  таблицы высказываний;  таблицы истинности. 35 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭВМ В период развития цифровых технологий были разработаны компьютеры самых разных типов. Многие из них давно забыты, но другие оказали сильное влияние на развитие современных вычислительных систем. Здесь мы дадим краткий обзор некоторых этапов развития вычислительных машин, чтобы показать, как человеческая мысль пришла к современному пониманию компьютерных технологий. История развития вычислительной техники имеет несколько периодов: механический, электромеханический и электронный. Для проведения вычислений в Древнем Вавилоне (около 3 тыс. лет до н. э), а затем в Древней Греции и Древнем Риме (IV в. до н. э.) использовали счетные доски под названием абак. Доска абака представляла собой глиняную пластину с углублениями, в которые раскладывали камушки. В дальнейшем углубления были заменены проволокой с нанизанными косточками (прообраз счет). Первая счетная машина с хранимой программой была построена французским ученым Блезом Паскалем в 1642 г. Она была механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. Немецкий математик Готфрид Лейбниц в 1672 г. построил механическую машину, которая могла делать также операции умножения и деления. Впервые машину, работающую по программе, разработал в 1834 г. английский ученый Чарльз Бэббидж. Она содержала запоминающее устройство, вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее устройство. Команды считывались с перфокарты и выполняли считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая память, были механическими и содержали тысячи шестеренок, при изготовлении которых требовалась точность, недоступная в XIX в. Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте, поэтому впервые для написания таких программ потребовался программист. Первым программистом была англичанка Ада Ловлейс, в честь которой уже в наше время был назван язык программирования Ada. Г. Холлерит в 1888 г. создал электромеханическую машину, которая состояла из перфоратора, сортировщика перфокарт и суммирующей машины, названной табулятором. Впервые эта машина использовалась в США при обработке результатов переписи населения. Скорость вычислений в механических и электромеханических машинах была ограничена, поэтому в 1930-х гг. начались разработки электронных вычислительных машин (ЭВМ), элементной базой которых стала трехэлектродная вакуумная лампа. В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена 36 на электронных компонентах, начинается отсчет поколений цифровых вычислительных машин. Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые технологии производства электронных компонентов. В 1946 г. в университете г. Пенсильвания (США) была построена электронная вычислительная машина, получившая название UNIAK. Машина весила 30 т, занимала площадь 200 кв.м., содержала 18 тыс. ламп. Программирование велось путем установки переключателей и коммутации разъемов. В результате на создание и выполнение даже самой простой программы требовалось очень много времени. Сложности в программировании на UNIAK натолкнули Джона фон Неймана, бывшего консультантом проекта, на разработку новых принципов построения архитектуры ЭВМ. В СССР первая ЭВМ была создана в 1948 г. Историю развития электронных вычислительных машин принято рассматривать по поколениям. ПЕРВОЕ ПОКОЛЕНИЕ -ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛАМПЫ (1945-1955 ГГ.) В основе базовой системы элементов этого поколения компьютеров лежали электронные лампы. Их использование определяло и достоинства и недостатки цифровых устройств. Электронные лампы обеспечивали высокую скорость переключения логических элементов, что увеличивало скорость вычисления по сравнению с попытками создать вычислительную машину, базовый элемент которой был построен на основе электромеханического реле. Электронные лампы были достаточно долговечны и обеспечивали надежную работу компьютера. К сожалению, недостатков у ламповых компьютеров тоже было достаточно. Электронные лампы работали с напряжениями в десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, размер электронных ламп, по современным понятиям микроэлектроники, был огромным — несколько десятков кубических сантиметров. Для построения вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов, поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Такая мощность приводила к перегреванию ламп, которые были размешены довольно компактно, и ставила задачу эффективного охлаждения электронных компонентов машины. Скорость обработки информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до нескольких тысяч операций в секунду. ВТОРОЕ ПОКОЛЕНИЕ -ТРАНЗИСТОРЫ (1955-1965 ГГ.) Полупроводниковые приборы - транзисторы были изобретены в 1948 г. Они отличались от электронных ламп малыми размерами, низким 37 напряжением питания и малой потребляемой мощностью. Все эти достоинства полупроводниковых приборов произвели революцию в радиоэлектронной промышленности. Стали появляться миниатюрные приемо-передающие радио- и телеустройства, появилась возможность встраивать управляющие устройства непосредственно в объекты управления и т.д. Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов произвела революцию и в производстве компьютеров. Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими функциональными возможностями, резко повысить быстродействие компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду. Увеличение производительности обеспечивалось как за счет более высокой скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и путем введения в состав вычислительной машины нескольких обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров, предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Data Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC) и др. Следует отметить компьютер PDP-8 фирмы DEC - первого мини-компьютера с общей шиной, оказавшего большое влияние на развитие архитектур персональных компьютеров. ТРЕТЬЕ ПОКОЛЕНИЕ -ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СНЕМЫ (1965-1980 ГГ.) Полупроводниковые элементы и другие электронные компоненты выпускались электронной промышленностью в виде отдельных элементов. Так, полупроводниковый кристалл, на котором размещался транзистор, заключался в специальный металлический или пластмассовый корпус. Требование уменьшения габаритов электронных устройств привело к тому, что сначала полупроводниковые приборы стали производиться в бескорпусном исполнении, а затем в 1958 г. была предпринята попытка разместить в одном полупроводниковом кристалле все компоненты одного функционального узла. Так появились интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупроводниковых схем и снизить потребляемую мощность. На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая компьютером на ИС, уменьшилась до сотен ватт. Увеличение быстродействия узлов, построенных на ИС, позволило довести быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду. Электронная промышленность приступила к массовому производству электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров. 38 Уменьшение стоимости привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и конвейерные вычислители. ЧЕТВЕРТОЕ ПОКОЛЕНИЕ -СВЕРХБОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ (С 1980 ГГ.) Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению новой отрасли промышленности — микроэлектроники, которая относится к области высоких технологий. Используя последние научно-технические достижения физики, химии, кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты), добились размещения на одном кристалле размером несколько квадратных миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов и других электронных компонентов. Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь процессор, который, учитывая его размеры, получил название микропроцессор, устройства управления внешними устройствами — контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили название сначала больших интегральных схем (БИС), а затем и сверхбольших интегральных схем (СБИС). Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все функциональные блоки компьютера. Одноплатные компьютеры встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы для оперативной обработки информации и управления. Стоимость одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их приобретения отдельными людьми. Такой возможностью воспользовались английские инженеры Стив Джобс и Стив Возняк. Используя выпускаемые промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешевую настольную вычислительную машину -микрокомпьютер. Его привлекательность для непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое к употреблению устройство, содержащее все необходимое оборудование и программное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил название Apple и стал первым в мире персональным компьютером. Персональными компьютерами, которые получили большое распространение на компьютерном рынке, заинтересовалась крупная компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем - IBM, и решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера. Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессорный комплект, и фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS DOS, IBM создала персональный компьютер IBM PC. Значительный потенциал 39 фирмы IBM позволил в короткие сроки произвести огромное количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной памяти, позволили компьютеру IBM PC стать самой популярной «персоналкой» в мире. В 1971 г. появился первый в мире четырехразрядный микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов на кристалле, а еще через год — 8разрядный процессор Intel 8008. Создание микропроцессоров послужило основой для разработки персонального компьютера (ПК), т.е. устройства, выполняющего те же функции, что и большой компьютер, но рассчитанного на работу одного пользователя. В 1973 г. фирма Xerox создала первый прототип персонального компьютера. В 1974 г. появился первый коммерчески распространяемый персональный компьютер Альтаир-8800, для которого в конце 1975 г. Пол Ален и Билл Гейтс написали интерпретатор языка Basic. Дальнейшая классификация вычислительных систем по их принадлежности к различным поколениям весьма условна. В настоящее время элементная база микропроцессорных систем активно развивается, но в ее основе по-прежнему лежат СБИС. Некоторые специалисты выделяют пятое, шестое и последующие поколения как усовершенствование микроэлектронных технологий. Другие рассматривают последующие поколения как изменение структур обработки команд и данных внутри микропроцессора. КЛАССИФИКАЦИЯ КОМПЬЮТЕРОВ ПО СФЕРАМ ПРИМЕНЕНИЯ Наиболее часто при выборе компьютера для той или иной сферы применения используется такая характеристика, как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютером для решения той или иной задачи. Понятие «производительность» определяет и некоторые другие характеристики компьютера, такие, например, как объем оперативной памяти. Вполне естественно, что компьютер с высокой скоростью обработки должен снабжаться большим объемом оперативной памяти, так как иначе его производительность будет ограничена необходимостью подкачки информации из более медленной внешней памяти. Можно считать, что производительность является некоторой интегрированной характеристикой, определяющей общую вычислительную мощность компьютера, и, соответственно, области его применения. По производительности компьютеры можно условно разбить на три класса: суперкомпьютеры; мэйнфреймы; микрокомпьютеры. Суперкомпьютеры — компьютеры с производительностью свыше 100 млн. операций в секунду. Применяются для решения таких задач, как 40 моделирование физических процессов, гидрометеорология, космические исследования и других задач, которые требуют огромных объемов вычислений. Выполняются обычно по многопроцессорной архитектуре, имеют большой набор внешних устройств, и, как правило, выпускаются небольшими партиями для конкретной задачи или конкретного заказчика. Обычно важность решаемой задачи такова, что основным параметром суперкомпьютера является его высокая производительность, а такие параметры, как стоимость, размеры или вес, не являются определяющими. Мэйнфреймы — компьютеры с производительностью от 10 до 100 млн. операций в секунду. Они используются для решения таких задач, как хранение, поиск и обработка больших массивов данных, построение трехмерной анимационной графики, создание рекламных роликов, выполняют роль узлов глобальной сети, используемой торговыми или компьютерными фирмами с большим потоком запросов. Выполняются по многопроцессорной архитектуре с общей шиной и небольшим числом мощных процессоров. Конструктивно выполняются в виде одной стойки или в настольном варианте. Стоимость мэйнфреймов колеблется от тридцати до трехсот тысяч долларов. Микрокомпьютеры — компактные компьютеры универсального назначения, в том числе и для бытовых целей, имеющие производительность до 10 млн. операций в секунду. Микрокомпьютеры, или персональные компьютеры, можно классифицировать по конструктивным особенностям: стационарные (настольные) и переносные. Переносные компьютеры, в свою очередь, можно разделить на портативные (laptop), блокноты (notebook) и карманные (Palmtop). Портативные компьютеры по размеру близки к обычному портфелю, они, в настоящее время, уступают место более компактным. Блокноты по размеру близки к книге крупного формата и имеют массу около 3 кг. Такие компьютеры имеют встроенные аккумуляторы, позволяющие работать без сетевого напряжения. В настоящее время имеются полноцветные жидкокристаллические мониторы, не уступающие по качеству мониторам стационарных компьютеров. Карманные компьютеры в настоящее время являются самыми маленькими персональными компьютерами. Они не имеют внешней памяти на магнитных дисках, она заменена на энергонезависимую электронную память. Эта память может перезаписываться при помощи линии связи с настольным компьютером. Карманный компьютер можно использовать как словарь переводчик или записную книгу. 41 Примеры вопросов 1. Развитие ЭВМ происходило:  поколениями;  бессистемно;  сериями;  группами. 2. Какие из следующих высказываний являются истинными:  появление второго поколения ЭВМ было обусловлено переходом от электронных ламп к транзисторам;  в ЭВМ первого поколения отсутствовало устройство управления;  в ЭВМ первого поколения отсутствовало оперативная память;  машины третьего поколения – это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимые;  компьютер с процессором Itel Pentium III относится к четвертому поколению ЭВМ. 3. Персональные компьютеры относятся к :  классу машин 2-го поколения;  особому классу машин;  классу машин 3-го поколения;  классу машин 4-го поколения; 4. Компьютеры, созданные для решения предельно сложных вычислительных задач – это:  суперкомпьютеры;  серверы;  персональные компьютеры;  карманные персональные компьютеры. 42 ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА Компьютер — многофункциональное, программно-управляемое устройство, предназначенное для автоматической работы с различными видами информации. Аппаратное обеспечение компьютера — группа взаимосвязанных устройств, предназначенных для приема, передачи, преобразования, хранения и выдачи информации. Смена поколений вычислительной техники связана с переходом на новую элементную базу, что приводит к изменению основных характеристик вычислительной техники. АРХИТЕКТУРА ЭВМ Архитектура ЭВМ - это структура и принципы работы ЭВМ. Основные принципы работы ЭВМ, которые не утратили своего значения до настоящего времени, были сформулированы в 1946 г. Джоном фон Нейманом, одним из разработчиков машины UNIAK. 1. Принцип физического разделения устройств хранения программ и данных от процессорного модуля. В состав вычислительной машины (рис. 1) обязательно Должны входить: • АЛУ (арифметическо-логическое устройство), которое предназначено для обработки информации с помощью арифметических и логических операций; • УУ (устройство управления), которое организует процесс выполнения программ; • ОП (основная, или оперативная, память), которая состоит из ячеек и предназначена для хранения программ и данных; • УВВ (устройства ввода и вывода), которые обеспечиваю! ввод и вывод данных. Арифметикологическое устройство (АЛУ) Устройство управления (УУ) Устройство ввода Память Устройство вывода 43 Структуру фон-неймановского типа имели ЭВМ первых двух поколений. В дальнейшем УУ и АЛУ конструктивно были объединены в одно устройство — процессор. 2. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности. 3. Принцип использования двоичной системы для представления команд и данных. 4. Принцип однородности памяти. Как программы, так и данные, хранятся в одной и той же памяти (и кодируются в одной и той же системе счисления). Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 5. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Время доступа к ячейке не должно зависеть от ее адреса. Первым компьютером, в котором были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, был «Марк I» (Университет Манчестера, Великобритания, 1948 г.). В последующем принципы архитектуры фон Неймана получит дальнейшее развитие. Появились новые виды архитектур, которые включали в свой состав несколько АЛУ и УУ (многопроцессорные архитектуры), новые принципы обработки данных основанные на параллельных вычислениях, и принципы архитектуры открытых систем. Примеры вопросов 1. В структуру ЭВМ фон Неймана входит:  устройство, выполняющее арифметические и логические операции;  устройство управления;  устройство, реализующее взаимодействие компьютеров в сети;  память для хранения программ и данных;  устройства для ввода-вывода информации? 44 ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ Термин вычислительная система появился в начале 70-х гг. в связи с созданием новых технологий обработки данных для ЭВМ третьего поколения. В основу этой технологии легла идея параллельных вычислений и коллективного использования вычислительных ресурсов. В результате появились новые режимы работы ЭВМ: многопользовательский, многозадачный, многопроцессорный и сетевой. Э В М и программное обеспечение, поддерживающее коллективное использование вычислительных ресурсов, стали называть вычислительной системой. Вычислительная система - это совокупность одного или нескольких компьютеров, программного обеспечения и пери ферийного оборудования. Вычислительные системы, используемые для информационного обслуживания и управления, называются информационно-вычислительными системами. Автоматизированные системы предполагают участие в процессе обработки информации и человека, и технических средств, причем главная роль в выполнении рутинных операций обработки данных отводится компьютеру. Именно этот класс систем соответствует современному представлению понятия «информационная система». Примеры вопросов 1. Совокупность ЭВМ и ее программного обеспечения называется:  построителем кода;  вычислительной системой;  интегрированной системой;  встроенной системой. 2. Автоматизированная система функционирует:  полностью автоматически;  при участии человека;  без участия человека;  без компьютерной поддержки. 45 СОСТАВ И НАЗНАЧЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА СОСТАВ ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА В современных персональных компьютерах реализован принцип открытой архитектуры, позволяющий изменять конфигурацию компьютера. Согласно этому принципу все функционально-однотипные элементы аппаратуры должны быть взаимозаменяемыми. Минимальный состав устройств ПК, без которых он не может осуществлять переработку информации, называется базовой конфигурацией. В состав базовой конфигурации входят: системный блок, монитор, клавиатура и мышь. Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты компьютера: системная (материнская) плата, жесткий диск и дисковод для гибких магнитных дисков. На материнской плате устанавливаются центральные (внутренние) устройства компьютера и устройства управления периферийными (внешними) устройствами - адаптеры и контроллеры. К центральным устройствам относятся: центральный процессор, оперативная память, постоянное запоминающее устройство. Отличительной особенностью центральных устройств является наличие непосредственного доступа к процессору. Все остальные устройства компьютера, не находящиеся непосредственно на материнской плате и подсоединяемые к линиям связи через адаптеры, являются периферийными, или внешними независимо от их местоположения в компьютерной системе. Адаптером монитора является видеокарта, адаптером аудиосистемы звуковая карта. Большинство адаптеров включают в себя контроллеры, управляющие работой устройств. Контроллер представляет собой электронную схему, с помощью которой он способен управлять устройством без помощи центрального процессора, поэтому каждый контроллер можно считать специализированным процессором. Для подключения адаптеров на материнской плате установлены специальные разъемы — слоты (порты) Адаптеры некоторых устройств входят в состав материнской платы (так называемые интегрированные адаптеры) — в этом случае на материнской плате имеется разъем для подключения самого устройства. 46 Примеры вопросов 1. К базовой конфигурации персонального компьютера не относится:  системный блок;  монитор;  принтер;  клавиатура; 2. На материнской плате размещается:  блок питания:  системный блок;  процессор;  жесткий диск (винчестер)? 3. Электронные схемы для управления внешними устройствами – это :  драйверы;  контроллеры;  плоттеры;  шифраторы. 4. Один из физических каналов ввода/вывода компьютера – разъем называется :  порталом;  каналом;  линией связи;  портом. 47 ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР Центральный процессор или CPU (Central Processing Unit) — это устройство, основное назначение которого заключается в выполнении программ. Процессор состоит из арифметическо-логического устройства (АЛУ), регистров общего назначения (РОН) и устройства управления (УУ). Регистры общего назначения предназначены для временного хранения данных, команд и адресов. Арифметическо-логическое устройство выполняет числовые и логические операции над данными в соответствии с кодом команды, хранящимся в регистре команд. Устройство управления осуществляет обмен информацией между процессором и оперативной памятью. Информация, хранящаяся в оперативной памяти, может быть двух видов — данные и команды выполняемой программы. Команды и данные передаются в процессор по разным шинам на разные регистры. Для передачи адресов также предусмотрена отдельная адресная шина. Устройство управления выбирает очередную команду из программы, расшифровывает код ее операции и записывает в регистр команд. Если команда предназначается для обработки данных, то в регистр данных из оперативной памяти пересылаются соответствующие данные. Основными характеристиками процессора являются тактовая частота и разрядность. Тактовая частота - это количество элементарных операций выполняемых процессором в единицу времени. Тактовая частота измеряется в герцах. Быстродействие современных процессоров составляет 2—4 ГГц. Разрядность — это количество битов, обрабатываемых микропроцессором за один такт работы. На сегодняшний день существуют 8-, 16-, 32- и 64-разрядные процессоры. Разрядность и тактовая частота являются основными факторами, определяющими производительность и быстродействие компьютера. При обработке данных в современных процессорах используются дополнительные приемы, которые увеличивают производительность. Прежде всего, это конвейерная обработка данных, наличие раздельных кэш-памятей для команд и данных, поддержка многопроцессорного режима работы и наличие в архитектуре двух или более АЛУ. Микропроцессор, имеюший несколько АЛУ, называется многоядерным. В настоящее время стали выпускать двух-, и четырехядерные микропроцессоры. Наличие двух или более процессоров практически не увеличивает скорость выполнения одной программы (если в ней не предусмотрено распараллеливание вычислений), но если будут запушены одновременно две программы, то производительность увеличится почти в два раза. Если 48 многопроцессорный режим распараллеливает выполнение различных программ, то конвейерная обработка распараллеливает выполнение команд одной программы. СИСТЕМНЫЕ ШИНЫ И СЛОТЫ РАСШИРЕНИЯ Связь процессора с внешними устройствами осуществляется по магистрали, состоящей из нескольких шин. Под шиной понимают набор линий (проводников), сгруппированных по функциональному признаку. Имеются две разновидности шин: локальные (системные) и внешние периферийные (шины расширения). Внешняя шина предназначена для подключения периферийных устройств либо их контроллеров. Системная шина объединяет процессор, основную память и кэшпамять. Системная шина включает в себя следующие компоненты:  шину адреса, которая предназначена для передачи адреса ячейки оперативной памяти или порта ввода-вывода;  шину данных, которая обеспечивает передачу данных;  шину управления, регулирующую процесс обмена информацией и передающую управляющие сигналы;  контроллер шины, управляющий всем процессом обмена данными, адресами и управляющими сигналами. Важнейшей характеристикой шины является ее разрядность, которая определяет количество битов данных, передаваемых по шине одновременно (за один такт). Конечными пунктами системной шины являются слоты расширения и интегрированные на материнскую плату контроллеры. Все эти устройства соединены между собой шиной управления. Совокупность шин, связывающих несколько устройств и алгоритм, определяющий порядок обмена информацией между ними, называется интерфейсом. Различают последовательные и параллельные интерфейсы. В соответствии с последовательным интерфейсом (СОМ-порт) данные передаются последовательной цепочкой битов, каждый последующий бит следует по времени после предыдущего. СОМ-порт используется для подключения сканера, модема или мыши. Параллельный интерфейс передает несколько битов одновременно. Количество одновременно передаваемых битов называется разрядностью интерфейса. Стандартным параллельным портом считается LPT-порт, который используется для подключения принтера. Интерфейсы USB и FireWire относятся к универсальным последовательным интерфейсам. Интерфейс FireWire служит для подключения к компьютеру периферийных цифровых аудио- и видеоустройств, требующих высокой скорости передачи информации. 49 Интерфейс USB позволяет подключать к компьютеру клавиатуру, мышь, принтер, сканер, цифровой фотоаппарат, а также флэш-память. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙС ТВА ВИДЫ ПАМЯТИ Запоминающие устройства бывают внутренними и внешними. К внутренним запоминающим устройствам компьютера относятся:  постоянное запоминающее устройство (ПЗУ или ROM);  оперативное запоминающее устройство (ОЗУ или RAM);  кэш-память (недоступный для пользователя буфер);  внутренняя память регистров процессора (РОН);  видеопамять графического адаптера. Внутренняя память обеспечивает первоначальную проверку работоспособности ПК при его включении (POST-тестирование), загрузку операционной системы в оперативную память (подготовку ПК. к работе) и хранение программ и данных в процессе решения задач. ПЗУ имеет автономный источник питания, а ОЗУ работоспособна только при включении питания ПК (энергозависима). К внешним запоминающим устройствам (ВЗУ) относятся:  жесткие и гибкие магнитные диски;  магнитные ленты (стримеры);  оптические диски;  флэш-память. Внешняя память предназначена для длительного хранения информации. На жестких дисках хранится программное обеспечение компьютера и все основные данные. Гибкие магнитные диски, магнитные ленты, оптические диски и флэш-память позволяют переносить данные и программы с одного компьютера на другой и хранить информацию, не используемую постоянно на ПК. Основными характеристиками памяти являются ее объем и быстродействие считывания и записи данных. Объем памяти измеряется в байтах, килобайтах (Кб), мегабайтах (Мб) и гигабайтах (Гб) Чем больше объем памяти, тем меньше ее быстродействие. Самым большим быстродействием обладает регистровая память (РОН). Объем и быстродействие памяти во многом определяют производительность компьютера. 50 ВНУТРЕННИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Внутренняя память подразделяется на оперативную и постоянную. Одна из них обеспечивает постоянное хранение информации (ПЗУ), на которое не влияет выключение питания, а другая (ОЗУ, РОН, кэш-память) предназначена для временного хранения информации. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ,) предназначено для хранения программ, которые автоматически запускаются при включении и выключении компьютера. Команды, введенные в ПЗУ, находятся там постоянно. Компьютер может читать или исполнять эти команды, но он не может изменять их. ROM (Read Only Memory) означает память только для чтения. Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) имеет непосредственную связь с процессором в ходе выполнения программ. В ОЗУ загружаются программы и данные, которые они обрабатывают Данные и программы хранятся в ячейках памяти, каждая из которых имеет адрес. Время доступа к ячейке не зависит от того, в каком месте оперативной памяти она находится. RAM (Random Access Memory) означает память с произвольным доступом. Современные П К имеют объем оперативной памяти от 512 Мбайт до нескольких Гбайт. Кэш-память (буфер) может входить составной частью в процессор, в ОЗУ, видеопамять и другие виды памяти. Это обуславливается тем, что различные виды памяти имеют различное быстродействие считывания и записи данных. В кэш-память могут помешаться наиболее часто используемые команды и данные. Буферизация, или иначе, кэширование, применяется для согласования взаимодействия между памятью различных уровней, что приводит к увеличению быстродействия компьютера. ВНЕШНИЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА Накопители на магнитных дисках в качестве запоминающей среду используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Различают накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, винчестер) с емкостью до 2 Тбайт и накопители на гибких магнитных дисках (НГМД, дискета) с емкостью 1,44- 2,88 Мбайт. НГМД являются сменными, для чтения-записи информации с них необходимо специальное устройство — дисковод. Информация на магнитном диске записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков). Каждая дорожка магнитного диска разбита на сектора. При записи и чтении информации диски вращаются вокруг своей оси, а механизм 51 управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи или чтения информации. В отличие от дискеты жесткий диск вращается непрерывно. Оптические диски (компакт-диски) используют для считывания или записи данных лазерный луч. Компакт-диск (CD) представляет собой две плотно соединенные пластиковые пластины с тонким оптическим информационным слоем между ними. На информационном слое располагается спиральная дорожка, состоящая из чередующихся темных (поглощающих свет) и светлых (отражающих свет) точек. Каждая такая точка — это 1 бит данных. При считывании и записи данных оптический диск раскручивается до скорости 10 тыс. об./мин. При считывании информации лазер освещает диск, а датчики воспринимают отраженный луч и распознают темные и светлые участки диска. По способу организации записи и считывания диски могут быть подразделены на три класса: только для чтения (CD-ROM), с однократной записью (CD-R) и многократным считыванием и с многократной перезаписью (CD-RW). Компакт-диски выпускаются с различными объемами памяти. В среднем емкость компакт-диска составляет 700 Мбайт. DVD — цифровые оптические диски с высокой плотностью записи. Информация на этих дисках размещается либо на обеих сторонах диска, либо в нескольких слоях. Двухсторонние и двухслойные диски позволяют хранить 1 7 Гбайт информации. Стримеры используют для записи и хранения информации магнитные ленты. В отличие от большинства других запоминающих устройств, имеющих прямой доступ к данным, стримеры являются устройствами последовательного доступа. Файлы вписываются на магнитную ленту последовательно. Для того чтобы прочитать какой либо файл, кроме первого, нужно сначала прочитать все предыдущие файлы. Стримеры применяются для резервного хранения большого объема данных и позволяют хранить от 40 до 800 Гбайт информации. Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого запоминающего устройства с большим числом циклов перезаписи. Конструктивно выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер для подключения к USB-порту. Скорость считывания информации сопоставима со скоростью считывания жестких дисков. Емкость флэш-памяти достигает 10 Гбайт. УСТРОЙСТВА ВВОДА-ВЫВОДА ДАННЫХ УСТРОЙСТВА ВВОДА Устройства ввода данных служат для преобразования в цифровой вид информации, поступающей от периферийных устройств. 52 Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер. Современная клавиатура имеет, как правило, 101 — 104 клавиши, среди которых выделяют: алфавитно-цифровые клавиши, необходимые для ввода текста; клавиши управления курсором и ряд специальных и управляющих клавиш. Мышью называют устройство, которое обеспечивает преобразование своего положения на плоскости стола в позицию указателя мыши или курсора на экране дисплея. По своему устройству мыши подразделяются на механические и оптические. Движение механической мыши передает шарик, который соприкасается с поверхностью стола или коврика. Движение оптической мыши передает световой луч, который отражается от поверхности стола и воспринимается оптическим приемником. В настоящее время появились комплекты беспроводных клавиатуры и мыши, которые работают на расстоянии до 1,5 м от ПК. Трекбол представляет собой устройство, в котором перемещение курсора осуществляется вращением шарика, выступающего над плоской поверхностью. Джойстик (ручка управления) имеет то же самое назначение, что и клавиши управления курсором, но перемещение по экрану осуществляется быстрее и в восьми направлениях, а не в четырех. Джойстик применяется для компьютерных игр. Сенсорная панель (Touchpad) представляет собой поверхность прямоугольной формы, чувствительную к нажатию пальцев. Прикосновение пальца к поверхности панели и его перемещение управляет курсором так же, как и соответствующие воздействия манипуляторов мыши и трекбола. Сенсорная панель применяется в современных портативных ПК. Световое перо — устройство, напоминающее обычное перо, на кончике которого имеется светочувствительный детектор. Если прикоснуться таким пером к экрану дисплея, то в этом месте появится система прямоугольных координат с началом в точке прикосновения. Перемещение пера по экрану вызовет появление рисунка. Сенсорный экран служит для управления компьютером при помощи касания экрана пальцами. Сенсорный экран применяется в справочных компьютерах в музеях, на выставках, на вокзалах и в аэропортах. Сенсорный экран может быть встроен в обычный монитор или помещаться поверх экрана монитора, в этом случае он соединяется с одним из портов компьютера. Графический планшет (дигитайзер) — это устройство для ввода графических данных, таких как чертежи и схемы. Он состоит из планшета и соединенного с ним специального карандаша. Перемещая карандаш по планшету, пользователь рисует изображение, которое выводится на экран. Сканер — устройство, преобразующее изображение, расположенное на листе бумаги или другом носителе, к электронному виду. Основная 53 характеристика сканера - разрешающая способность, которая измеряется в dpi (dot per inch — точках на дюйм). Это число показывает, сколько точек, составляющих изображение, проставляется на отрезке длиной в один дюйм. Стандартная разрешающая способность сканирования 200 dpi позволяет обеспечить полиграфическое качество, т.е. полученные изображения будут достаточно четкими. Сканеры бывают нескольких видов: ручные, планшетные, барабанные. И в планшетных, и в ручных сканерах лист бумаги остается неподвижным, при этом перемещение оптического устройства по поверхности листа в ручных сканерах производится пользователем, в планшетных сканерах — автоматически. В настоящее время ручные сканеры применяются для ввода штрих-кода кассовых аппаратах. Барабанные сканеры используют для сканирования исходных изображений, имеющих высокое качество и небольшие размеру (фотонегативы, слайды и т. п.). В сканерах этого типа считывающая головка является неподвижной, а исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. УСТРОЙСТВА ВЫВОДА Мониторы (дисплеи) предназначены для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы различаются по принципу действия, размеру, техническим характеристикам и стандарту безопасности. На экране монитора любого типа изображение формируется в виде набора цветных точек, называемых пикселями. В зависимости от принципа действия монитора пиксели формируются по-разному. По принципу действия мониторы подразделяются на мониторы с электронно-лучевой трубкой (CRT), жидкокристаллические (LCD), и плазменные. В мониторах CRT изображение формируется с помощью зерен люминофора - вещества, которое светится под воздействием электронного луча. В мониторах LCD принцип отображения информации основан на поляризации света. Плазменные мониторы используются в качестве больших выносных экранов для показа изображения большой аудитории. По сравнению с CRT-мониторами плазменные и LCD-мониторы имеют малую толщину (всего несколько сантиметров). Основными техническими характеристиками мониторов являются размер экрана, размер зерна, максимальное разрешение и частота обновления экрана. Размер экрана — это длина диагонали экрана, выраженная в Дюймах (1" = 2,54 см). Наиболее распространенными размерами Для экрана монитора являются 15", 17". 19", 20", 21". Размер зерна - это размер цветной точки, т.е. минимальный размер пикселя. Чем меньше размер зерна, более четкое контрастное изображение можно получить на мониторе. 54 Максимальное разрешение — это общее число цветных точек которые можно разместить на экране. Например, разрешен ие 1024 * 768 означает, что изображение формируется из 1024*768 = 786432 пикселей. Для реализации очень высокого разрешения необходим не только высококачественный монитор, но и соответствующий контроллер монитора — видеокарта. Частота обновления экрана выражается в герцах (Гц, Hz) и обозначает количество прорисовок экрана в секунду. Чем выше частота, тем меньше мерцание экрана, меньше устают глаза и те м комфортнее пользователю. Стандартом предусмотрена частота 80 Гц. В LCD-мониторах допустимо чуть более низкое значение этого параметра. Принтеры — это устройства для вывода ин формации на бумагу. В зависимости от способа нанесения информации на бумагу различают матричные, струйные, термографические и лазерные принтеры. Матричные принтеры схожи по принципу действия с печатной машинкой. Печатающая головка перемещается в поперечном направлении и формирует изображение из множества точек, ударяя иголками по красящей ленте. Качество изображения матричных принтеров невысокое. Основно е достоинство — низкая цена расходных материалов. Матричные принтеры сейчас используются в кассовых аппар атах и в других аналогичных устройствах. Струйные принтеры формируют изображение с помощью чернил, которые распыляются через капилляры печатающей головки. Струйные принтеры могут печатать достаточно быстро (до нескольких страниц в минуту), обеспечивая высо кое качество печати, в том числе цветных изображений. Разреша ющая способность струйных принтеров составляет 300 dpi и более. Лазерные принтеры при работе используют принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. Высокая скорость печати (до 20 страниц в минуту) достигается за счет постраничной печати, при которой страница печатается сразу целиком. Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество печати. Разрешающая спос обность принтеров может достигать 1200 dpi. Термографические принтеры для передачи на бумагу изображения используют нагрев. Имеются два типа термографических принтеров — с прямым нагревом и с теплопередачей. 55 Для принтеров с прямым нагревом используется бум ага со специальным химическим покрытием. В месте контакта нагретой точки и бумаги происходит химическая реакция, и цвет точки меняется. В принтерах с теплопередачей используется специальная красящая лента, краситель которой, расплавляясь, переносится на бумагу. В настоящее время термографические принтеры выпускаются в карманном исполнении (они имеют небольшой размер) для портативных (notebook) и карманных (palmtop) ПК. Основным недостатком термографических принтеров является использова ние термографической бумаги, которая является недолговечным и дорогим расходным материалом. Плоттер (графопостроитель) — устройство для вывода чертежей на бумагу. Работает плоттер по принципу струйного прин тера. Различают плоттеры барабанного типа, которые работают с рулоном бумаги, и планшетного типа (лист бумаги лежит на плоском столе). 56 ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ Программное обеспечение (ПО, или Software) можно разделить на два вида: системное и прикладное. Системное ПО предназначено для управления работой вычислительной системы, а прикладное — для решения пользовательских задач. В свою очередь системное ПО подразделяется на базовое и сервисное. К базовому ПО относят операционные системы, системы программирования и оболочки операционных систем. Программы сервисного обслуживания (утилиты) предназначены для обслуживания компьютера и включают в свой состав: программы диагностики работоспособности устройств компьютера, антивирусные программы, программы обслуживания дисков и программы архивирования данных. Прикладное ПО подразделяется на ПО общего назначения и специальное ПО. Примером ПО общего назначения служит пакет программ MS Office. Этот пакет предназначен для широкого круга пользователей. Специальное ПО ориентировано на решение задач в конкретных областях деятельности специалистов. Например, юристы используют правовые системы ГАРАНТ, КОНСУЛЬТАНТ-ПЛЮС, бухгалтеры - пакет программ 1С. Программы, работающие под управлением операционной системы, называют приложениями. Как правило, каждое приложение имеет свою уникальную пиктограмму. Среда интегрированного пакета прикладных программ имеет множество инструментальных средств, предназначенных для создания и редактирования документов. Документ — это файл, созданный в приложении и получивший при сохранении уникальное имя. По способу распространения программные продукты принято подразделять на бесплатные, условно бесплатные и коммерческие (лицензионные). Распространение бесплатных программ (Freeware,) в основном идет через Интернет. Лицензионное ПО приобретается через официальную торговую сеть (коробочный вариант) или поставляется вместе с компьютером, на который оно устанавливается при предпродажной подготовке. Условно бесплатные программы (Shareware) являются рекламой коммерческих программ. Как правило, они имеют ограниченные 57 функциональные возможности или ограниченный срок работы, например месяц. Для установки программы необходимо иметь дистрибутив, т. е. набор файлов и папок, в которых хранится весь комплекс программ в сжатом виде. Процесс установки программ имеет еще одно название — инсталляция. Один из файлов дистрибутива является установочным, т.е. при его запуске начинается процесс установки; как правило, он имеет название Setup.exe или Install. ехе. ОПЕРАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ Операционная система (ОС) — это программа, которая управляет всеми ресурсами компьютера. Это первая программа, которая загружается в оперативную память после включения питания. Основное назначение ОС состоит в организации работы файловой системы, управлении техническими устройствами и процессом выполнения программ. Операционная система осуществляет загрузку программ в оперативную память, передает им управление в начале их работы, выполняет различные действия по запросу исполняемых программ и освобождает занимаемую программами оперативна память при их завершении. Важнейшей функцией ОС является работа с файлами. Все действия с файлами (создание, удаление копирование и перемещение) производятся пользователем с помощью операционной системы. Наибольшую известность получили следующие ОС: MS DOS Windows, MacOS, UNIX, Linux. MS DOS - операционная система для 16-разрядных персональных компьютеров фирмы IBM. MacOS — одна из первых операционных систем с графически пользовательским интерфейсом. Система была разработана для компьютеров Macintosh фирмы Apple. UNIX- старейшая сетевая операционная система. На основ UNIX строятся сетевые протоколы Интернет. Windows — это семейство операционных систем с графическим многооконным интерфейсом, разработанных фирмой Microsoft. В 2007 г. вышла новая версия Windows Vista. Linux является бесплатной операционной системой, котора с каждым годом получает все большее распространение ЭЛЕМЕНТЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКОГО ИНТЕРФЕЙСА ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ WINDOWS Отличительной особенностью операционных систем семейства Windows является наличие дружественного пользовательского интерфейса, благодаря которому в различных программах сохраняются одинаковые принципы управления их работой. 58 После загрузки операционной системы на экране появляется Рабочий стол и Панель задач. На Рабочем столе располагаются пиктограммы файлов и папок, а также окна открытых приложений. Пиктограммой называется графический рисунок, который служит для обозначения файлов и папок. Щелчок мышью по пиктограмме запускает программу или открывает файл или папку, Щелчок правой кнопкой мыши по активному объекту выводит на экран меню, которое называется контекстным меню Пункты этого меню позволяют выполнить доступные в данный момент команды. Вся информация при работе программ выводится в окнах. Окно - это ограниченная прямоугольной рамкой поверхность экрана. Каждое окно имеет заголовок. Строка заголовка содержи название окна. Используя заголовок, можно перемещать окно по экрану. В правой части заголовка находятся кнопки управление окном (закрыть, развернуть, свернуть). Панель инструментов содержит значки и кнопки, предназначенные для быстрого доступа к наиболее часто используемым командам. Каждая программа имеет собственный набор панелей инструментов. Вторая строка окна содержит основное меню программы. Каждый пункт основного меню состоит из списка главных команд программы. Некоторые пункты меню заканчиваются знаком ► или знаком многоточия. Знак ► означает наличие еще одноп вложенного меню. Выбор команды с многоточием вызывает экран диалоговое окно. Диалоговые окна служат для просмотра или выбора различны параметров работы программы. Одновременно может быть открыто несколько окон. Одно окно может закрывать другое, при этом только одно окно может быть активным. Активное окно всегда видно на экране Заголовок активного окна отличатся от других заголовков бола ярким цветом. С точки зрения объектно-ориентированного программирования элементы пользовательского интерфейса представляют собой объекты. Свойства объектов — это их характеристики, а методы — все возможные действия, которые можно выполнять с объектами. Например, такой элемент пользовательского интерфейса, как окно, имеет свои размеры и его можно перемешать по экрану. С позиции объектноориентированного подхода: окно — это объект, имеющий свойство - размер, а перемещение — это метод объекта окна. 59 ОРГАНИЗАЦИЯ РАБОТЫ С ФАЙЛОВОЙ СИСТЕМОЙ ФАЙЛОВАЯ СИСТЕМА Файл - это любой набор информации, сохраненный на диске под собственным именем. Файлом могут быть программы, текста рисунки, наборы данных и т.п. Файлы хранятся на диске в виде иерархической древовидной структуры. Диски обозначаются буквами латинского алфавита и знаком двоеточия. Жесткий диск может быть разбит на несколько логических дисков, которые обозначаются буквами С:, D:, Е: и т.д Адрес указывает на расположение файла или папки в файловой системе. Он начинается с имени диска, а затем записывается последовательность названий папок. Имя диска называю корневым каталогом. Адрес имеет еще одно название «полный путь». Формат записи адреса: Имя диска:\Папка1\Папка2\. Полное имя файла состоит из имени файла и полного пути. Каждый файл, хранящийся на компьютере, имеет уникально полное имя. В одной папке не может быть двух файлов с одинаковыми именами, в разных папках это допустимо. Запись файлов на диск производиться частями. Наименьше место, которое могут занимать на диске записываемые данные составляет один кластер - это минимальный адресуемый элемент диска. Кластер может состоять из одного или нескольких секторов. Объем сектора составляет 512 байт. Система организации хранения файлов называется файловой системой. Windows поддерживает три файловые системы: FAT16 (или просто FAT), FAT32 и NTFS. Выбор файловой системы осуществляется при установке Windows и форматировании диска. При форматировании на диске выделяется системная область, которая состоит из трех частей: загрузочного сектора, таблицы размещения файлов и корневого каталога. В загрузочном секторе (Boot Record) хранятся данные о формате диска и его файловой системе. В корневом каталоге содержится перечень файлов, находящихся на диске. Запись о файле содержит имя файла, адрес первого кластера, объем файла, а также время и дату его создания. Таблица размещения файлов (File Allocation Table, сокращенно FAT) содержит описание порядка расположения всех файлов в кластерах данного диска, а также информацию о дефектных участках диска. Количество ячеек FAT-таблицы соответствует количеству кластеров на диске, а значениями ячеек являются цепочки размещения файлов, т.е. последовательность адресов кластеров, в которых хранятся файлы. Порядковый номер ячейки FAT-таблицы соответствует адресу кластера. 60 ИМЕНА ФАЙЛОВ Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой, — это название файла и его расширение. Расширение в имени файла служит для обозначения его типа По расширению файла операционная система определяет программу, с помощью которой был создан файл. Некоторые расширения показывают, что файл сам является программой. Файлы программ называются исполняемыми файлами. Они имеют расширение соm или ехе. В имени файла запрещено использование следующих служебных символов: \ /: * ? " < >  . Имеются некоторые отличия в задании имен файлов в операционных системах MS DOS и Windows. В MS DOS длина имени не должна превышать 8 символов, в Windows — 256 символов В MS DOS нельзя использовать символы русского алфавита и пробелы, а в Windows можно. Для обозначения группы файлов применяются шаблоны, которых используются подстановочные символы. Звездочка ( * ) обозначает любое количество любых символов, вопросительный знак (?) - один любой символ. Например, шаблон р* означает что имя файла начинается на букву р, шаблон р???л - что в имени файла между буками р и л находятся три любых знака, шаблон * . t x t обозначает все файлы с расширением txt. В некоторых программах используется знак вертикальной черточки (|), обозначающий исключение некоторых шаблонов. Например, *.*|*.bak означает все файлы, кроме файлов с расширением bak. АТРИБУТЫ ФАЙЛОВ Основные характеристики (атрибуты) файлов формируются в процессе создания и сохранения фа йлов и предназначены для просмотра. К ним относятся: имя файла, его расположение на диске (путь), тип файла (расширение), размер, объем занимаемого дискового пространства, а также даты его создания, последнего изменения и последнего открытия. Различие между размером файла и объемом занимаемого дискового пространства обуславливается тем, что файл на диске всегда занимает целое число кластеров. На жестком диске размер одного кластера составляет 4 Кбайта, поэтому любой файл будет занимать объем кратный 4 килобайтам. На гибком диске размер одного кластера составляет 512 байт, поэтому любой файл будет занимать объем, кратный 512 байтам. Помимо перечисленных характеристик, файл имеет атрибуты, которые задаются пользователем. При установке атрибута Только чтение, файл открывается в режиме чтения, т.е. сохранение внесенных изменений невоз можно. 61 При установке атрибута Скрытый видимость файла регулируется настройкой папки, в которой хранится файл. Атрибут архивный предназначен для работы служебной про граммы Windows - Архиватор данных. При запуске программы файлы, имеющие атрибут архивный, будут помещены в специ альный архивный файл. ОПЕРАЦИИ С ФАЙЛАМИ И ПАПКАМИ В состав стандартных программ Windows входит программа Проводник, которая предназначена для работы с файлам и и папками. При загрузке Проводника открывается папка Мои документы. Проводник имеет два окна. В одном окне отражается иерархическая структура хранения папок, в другом представлено содержимое активной папки. Существует несколько видов представления содер жимого папок: Эскизы страниц, Диафильм, Плитка, Значки, Список, Таблица. В режимах представления Эскизы страниц и Диафильм файлы с изображениями представляются в виде миниатюрных рисунков. Режимы представления - Плитка, Значки и Список отличаются размером пиктограмм файлов и папок, расположением их на экране и видом подписи к файлам. Плитка и Значки имеют крупные значки, Список — мелкие. Для создания новой папки или документа в Проводнике используется меню Файл — Создать, а на Рабочем столе — контекстное меню Создать. Количество видов документов зависит от числа установленных в Windows приложений. Имя, заданное по умолчанию, можно изменить. При этом важно сохранить Расширение файла. Для удаления файлов и папок необходимо предварительно их выделить, а затем воспользоваться меню Файл — Удалить или клавишей Del. Удаление папки приводит к удалению всех со держащихся в ней файлов и вложенных папок. Файлы и папки, размешенные на жестком диске, при удалении помещаются специальную папку, называемую Корзиной. Операции открытия и сохранения документов являются типовыми операциями работы с любыми документами, поэтому во всех приложениях для этих операций используется меню Файл — Открыть и Файл Сохранить. Файл сохраняется в той же папке, где он был первоначально создан. Если требуете, сохранить файл под другим именем или в другой папке, то используется меню Файл - Сохранить как. По умолчанию текстовые документы сохраняются в папке Мои документы, документы графического формата - в папке Мои рисунки. 62 Для выделения нескольких файлов, расположенных рядом, используется мышь и клавиша Shift, а для выделения файлов, расположенных в произвольном порядке, - мышь и клавиша Ctrl. Операционная система Windows позволяет копировать и перемешать файлы и папки двумя методами. Один метод использует буфер обмена. Другой метод использует мышь. Выделенные файлы перемещаются по экрану при нажатой левой клавиши мыши. Этот метод называется протаскиванием (Drag and Drop). При протаскивании выделенного файла в папку, находящуюся на том же диске, происходит перемещение файла, а если папка находится на другом диске, - копирование. При протаскивании выделенных файлов и папок операция копирования сопровождается появлением знака плюс рядом с пиктограммой. Для гарантированного перемещения выделенных файлов и папок следует дополнительно нажать клавишу Shift, а для гарантированного копирования - клавишу Ctrl. Для копирования информации на съемный диск (дискету, компактдиск, флэш-память) используется контекстное меню файл - Отправить. Копирование через буфер обмена включает два этапа. Сначала информация помещается в буфер обмена, а затем содержимое буфера вставляется в активную папку. При этом содержимое буфера сохраняется до тех пор, пока в него не будет помещена следующая порция информации. Ярлык служит для ускорения доступа к документу или приложению. Ярлык - это ссылка на файл или папку. Пиктограммы ярлыков отличаются от пиктограмм файлов и папок, на которые он ссылается, наличием стрелочки. Для одного объекта можно создать несколько ярлыков. Ярлыки могут быть расположены на рабочем столе или в разных папках, в то время как сам объект будет находиться в каком-то другом месте файловой системы. В ярлыке находится информация о расположении объекта, поэтому если объект переместить в другое место, вид ярлыка не изменится, но он потеряет свою функциональность, т.е. перестанет работать. СЛУЖЕБНОЕ (СЕРВИСНОЕ) ОБЕСПЕЧЕНИЕ АРХИВАТОРЫ Архиватор позволяет сжимать информацию, т.е. создавать копии файлов меньшего размера, а также объединять копии нескольких файлов в один архивный файл. Наиболее популярными архиваторами для операционной системы Windows являются файловые архиваторы WinZip и WinRar. Программа WinZip фирмы Corel поддерживает формат сжатия ZIP. Программа WinRar обеспечивает высокую степень сжатия, поддерживает основные форматы сжатия ZIP и RAR, предоставляет возможности восстановления поврежденных архивов, шифрования, а также выполнять все необходимые операции над форматами: 7Z, АСЕ, ARJ, BZ2, CAB, GZ, JAR, LZH, TAR, UUE, Z и ISO (CD-images). 63 ДИСПЕТЧЕР ЗАДАЧ Служебная программа Диспетчер задач служит для отображения информации о программах и процессах, выполняемых на компьютере. При помощи диспетчера задач можно завершать или запускать программы и получать информацию о текущей загрузке системы. Программу можно вызвать с помощью сочетания клавиш Ctrl + Alt + Del. Диалоговое окно программы имеет несколько вкладок. На вкладке Приложения отражается состояние программ, которые запущены пользователем. В случае если в работе программы произошла ошибка и приложение зависло, т.е. перестало отвечать на действия пользователя, то параметр «состояние программ» принимает значение не отвечает. Единственным способом закрыть приложение, не закрывая другие программы, является его закрытие с помощью Диспетчера задач. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ОПЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Служебная программа Восстановление системы позволяет устранять неполадки, возникающие в результате замены файлов, необходимых для работы операционной системы. Программа ведет наблюдение за изменениями операционной системы и автоматически создает легко идентифицируемые точки восстановления. Они создаются ежедневно, а также во время существенных системных событий (таких, как установка приложения или драйвера). Эти точки восстановления позволяют вернуть систему к предыдущему состоянию без потери личных файлов (таких, как документы Word, рисунки и сообщения электронной почты). Для работы программы нужно не меньше 200 Мбайт свободного дискового пространства. Когда свободного места на диске не хватает, наблюдение будет приостановлено. Наблюдение автоматически будет возобновлено после освобождения дискового пространства. ДРАЙВЕРЫ Драйверы — это программы управления внешними устройствами, которые предназначены для осуществления взаимодействия между устройством и операционной системой. Драйвер является программным дополнением к устройству и разрабатывается изготовителем устройства. Драйверы многих устройств входят в| состав операционной системы. Операционная система Windows поддерживает технологию Plug and Play (подключи и играй). При этой технологии установка новых устройств заключается в подключении нового устройства к соответствующему порту компьютера. Windows сам устанавливает соответствующие драйверы устройств. 64 ОБСЛУЖИВАНИЕ ДИСКОВ Служебная программа Форматирование (format) подготавливает; диск к хранению информации. В процессе форматирования все данные, находящиеся на диске, стираются, поверхность диска разбивается на сектора и дорожки и создается новая структура хранения данных (загрузочный сектор, таблица размещения файлов и корневой каталог). При форматировании дискет по умолчанию выполняется полное форматирование, при котором проводится проверка испорченных секторов. При быстром форматировании происходит очистка корневого каталога и таблицы размещения файлов без поиска испорченных секторов. При записи файла на новый (чистый) диск информация записывается в свободные кластеры, которые располагаются последовательно друг за другом. При удалении файла кластеры освобождаются. Новые файлы записываются в свободные кластеры, которые могут располагаться в различных частях диска. Многократное выполнение операций по удалению и записи новых файлов приводит к тому, что кластеры большинства файлов хранятся в разных областях диска. Это явление носит название фрагментации. Фрагментация замедляет скорость считывания и записи файлов. Для устранения этого явления используют программу дефрагментации (defrag). После выполнения этой программы кластеры каждого файла располагаются на локальном диске последовательно друг за другом, что увеличивает быстродействие диска. Служебная программа Проверка диска выявляет логические ошибки в файловой структуре и физические ошибки, связанные с дефектами жесткого диска. Служебная программа Очистка диска используется для освобождения пространства на жестком диске с помощью удаления временных файлов Интернета и очистки корзины. 65 МОДЕЛИ РЕШЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЗАДАЧ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ПОЗНАНИЯ Модель представляет собой некоторое упрошенное подобие реального объекта, явления или процесса, которое отражает их существенные особенности (свойства). Моделирование — это метод познания, который заключается в исследовании объекта по его модели. Каждый объект имеет большое количество различных свойств. В процессе построения модели выделяются главные, наиболее существенные, свойства. В зависимости от целей исследования одни и те же объекты и процессы могут описываться различными моделями. С другой стороны, разные объекты могут описываться одной моделью. Например, табличная модель представления данных может описывать характеристики различных объектов. Модель может быть построена для любого объекта, явления или процесса. Метод моделирования применяется в случае, если:  проведение исследования самого объекта связано с большими затратами;  оригинал объекта не существует в действительности (например, модели новых автомобилей);  исследуемый процесс протекает очень быстро или очень медленно;  исследование объекта приводит к его разрушению или представляет опасность для окружающей среды и т.д. КЛАССИФИКАЦИЯ МОДЕЛЕЙ По способу представления модели подразделяются на материальные и абстрактные (информационные). Материальные модели воспроизводят геометрические и физические свойства исследуемого объекта и всегда имеют реальное воплощение. Материальные модели иначе называют предметными, физическими. Примерами материальных моделей могут служить макет автомобиля, манекен в магазине одежды и т.д. Абстрактные (информационные) модели не имеют материального воплощения. Они строятся на основе информации об изучаемом объекте или процессе. 66 С учетом фактора времени модели подразделяются на статические и динамические. В статических моделях отсутствует параметр времени. Объект изучается в некоторый фиксированный момент времени или когда он не проявляет своих динамических свойств. Динамическая модель позволяет проследить изменения объекта во времени. Модель называется детерминированной, если каждому набору входных параметров модели всегда соответствует единственный набор выходных параметров. В противном случае модель называется недетерминированной, или стохастической, вероятностной моделью. Дискретные модели предназначены для исследования дискретных во времени или в пространстве объектов и процессов, а непрерывные для исследования непрерывных процессов ИНФОРМАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ЗНАКОВЫЕ И ВЕРБАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ Вербальная (описательная) модель - это словесное описание объекта, которое отображает его существенные свойства и особенности. Описательные информационные модели служат основой для построения формализованных моделей. Формализация - это процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков. Знаковая модель — это информационная модель, выраженная специальными знаками, т. е. средствами любого формального языка. Знаками могут быть символы, пиктограммы, рисунки, диаграммы и т.д. В таких моделях связи между знаками задаются правилами, принятыми в той области, к которой относится знаковая модель. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ И СТРУКТУРНЫЕ МОДЕЛИ Функциональная модель - это информационная модель, отражающая определенные функции объекта. В функциональных моделях описываются зависимости между входными и выходными параметрами объекта, при этом состав элементов и структура объекта могут быть строго не определены. Структурная модель — это информационная модель, отражающая состав и структуру изучаемого объекта в графической форме. В наиболее общем виде структурная модель может быть представлена в виде графа. Граф состоит из вершин, которые соединяются ребрами. Вершины обычно изображаются в виде кружков, а ребра — линиями. В структурной модели элементы объекта соответствуют вершинам графа, а связи между элементами объекта (отношения) - ребрам графа. 67 Две соседние вершины графа, связанные ребрами, называются смежными. В иерархической структуре (рис.1) между элементами объекта существуют отношения подчиненности. Граф иерархической структуры называется деревом. У дерева имеется одна главная вершина, которая называется корнем дерева. Эта вершина изображается вверху и от нее идут ветви дерева. От корня начинается отсчет уровней. Вершины, непосредственно связанные с корнем, образуют первый уровень. От них идут связи к вершинам второго уровня и т.д. Каждая вершина дерева (кроме корня) имеет одну исходную вершину на предыдущем уровне и может иметь множество порожденных вершин на следующем уровне. Такой принцип связи называется «один ко многим». Вершины, которые находятся на нижнем уровне иерархии, называются листьями. Примером информационной модели, имеющей иерархическую структуру, может служить любая модель классификации объектов. Рис.1 В сетевой структуре (рис. 2) любые пары вершин могут быть смежными. Сетевая структура характеризуется наличием множества различных путей перемещения по ребрам между некоторыми парами вершин. Между элементами сетевой структуры существуют отношения «многие ко многим». Примером информационной модели, имеющей сетевую структуру, может служить модель архитектуры компьютерной сети Интернет. Информационная модель объекта, представленная в виде графа, всегда может быть преобразована в табличную модель. 68 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ Математическая модель - это информационная модель объекта или процесса, представленная в виде математических формул, уравнений, неравенств и т.д. Процесс преобразования описательной информационной модели объекта в математическую модель носит название математической формализации. П р и построении математических моделей используется весь арсенал, накопленных знаний по математике. В зависимости от самого объекта или процесса и целей моделирования применяются различные математические методы. Перечислим некоторые из них:  непрерывно-детерминированный (дифференциальные уравнения, уравнения состояния);  дискретно-детерминированный (конечные автоматы);  дискретно-стохастический (вероятностные автоматы);  непрерывно-стохастический (системы массового обслуживания) и т.д. Если зависимость между отдельными параметрами объекта может быть выражена через математическую функцию, то такую модель называют аналитической. КОМПЬЮТЕРНЫЕ МОДЕЛИ Компьютерная модель - это информационная модель объекта или процесса, представленная в виде программного кода. Реализованная на компьютере математическая модель называется компьютерной математической моделью, а проведение целенаправленных расчетов с помощью компьютерной модели называется вычислительным экспериментом. Компьютерные модели, воспроизводящие поведение сложных систем, для описания которых нет однозначного математического аппарата, называются имитационными моделями. Этапы моделирования П е р вы м э та п о м построения модели является постановка задачи, которая определяется заданной целью. Основными целями моделирования могут быть:  создание новых и модернизация существующих объектов;  изучение основных свойств и законов развития объекта;  определение способов управления объектом и т.д. Н а в то р о м э та п е осуществляется сбор информации об объекте, производится анализ объекта, определяются входные и выходные параметры модели. Выявляются самые существенные свойства объекта и определяются 69 свойства объекта, которыми можно пренебречь в процессе моделирования. Результатом анализа является упрощенная описательная модель. Т р е ти й эта п — создание формальной модели. На этом этапе происходит объединение (синтез) всех существенных характеристик объекта и описание объекта заменяется его формальной моделью, т.е. модель объекта приобретает определенную форму, которая может быть выражена в виде чертежа, математической формулы или схемы. Для математических моделей производится выбор метода решения. Для построения компьютерных моделей разрабатываются алгоритмы и пишутся программные коды. Ч е т ве р ты й э та п — моделирование. На этом этапе модель выступает как самостоятельный объект исследования. Результатом моделирования является множество знаний о поведении модели и ее свойствах. П я ты й э та п - анализ результатов моделирования. Проводится оценка результатов моделирования, определяется погрешность моделирования, выясняется, насколько модель соответствует реальному объекту или процессу (адекватность модели), выясняется, достигнута л и цель моделирования. Процесс проверки соответствия модели объекту моделирования с заданной степенью точности называется верификацией. Моделирование — циклический процесс. Недостатки, обнаруженные после первого цикла моделирования, обусловленные малым знанием объекта или ошибками в построении модели, исправляются в последующих циклах. 70 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ, ЯЗЫКИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ЯЗЫКИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ВЫСОКОГО УРОВНЯ ЭВОЛЮЦИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ Для первых вычислительных машин составление программ велось исключительно на машинных языках, которые представляли собой свод правил кодирования инструкций для ЭВМ с помощью чисел. Более высоким уровнем по сравнению с машинными языками являются машинно-ориентированные языки символического кодирования. Основной принцип создания языков символического кодирования состоит в замене машинных кодов на их буквенные обозначения, а также в автоматизации процесса распределения памяти и диагностики ошибок. Такой машинно-ориентированный язык получил название языка Ассемблера. Недостатком машинно-ориентированных языков является невозможность использования программ, написанных для процессоров одного типа, на ЭВМ, которые построены на процессорах другого типа. Машинные и машинно-ориентированные языки относятся к языкам низкого уровня. Эти языки используются для системного программирования. На следующем уровне развития языков программирования находятся процедурно-ориентированные языки. В отличие от машинноориентированных языков синтаксис и семантика этих языков не зависят от состава имеющихся команд конкретной ЭВМ. Привязку составленной программы к конкретному типу ЭВМ осуществляет транслятор (программа-переводчик). Процедурно-ориентированные языки относятся к языкам высокого уровня. Одним из первых процедурно-ориентированных языков стал Фортран (1958 г.) (FORmula TRANslation - преобразование формул). Фортран до сих пор применяется в сфере научных и инженерно-технических вычислений. Процедурно-ориентированные языки, предназначенные для реализации определенных алгоритмов, называют алгоритмическими. Первым алгоритмическим языком принято считать Алгол (1960 г.) (ALGOL — ALGOritmic Language — алгоритмический язык). Алгоритмический язык Бейсик (1965 г.) (BASIC — Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code) был предназначен для пользователей непрофессионалов, т. е. тех людей, у которых основная профессия не связана с программированием. Следующим этапом развития программирования принято считать структурное программирование, которое обеспечило возможность коллективной работы программистов над созданием сложных программных комплексов. Примерами таких языков могут служить 71 Паскаль (1971 г.) и С (1973 г.). Паскаль (Pascal) -это хорошо структурированный язык, который был разработан Н. Виртом специально для обучения студентов программированию. Язык С, созданный Д. Ричи при разработке операционной системы Unix, считается одним из самых популярных языков программирования. Объектный подход является следующей ступенью в развитии структурного программирования. Первым объектно-ориентированным языком программирования был язык Симула (1967 г.), который предназначался для решения задач моделирования. Почти все современные языки программирования являются объектно-ориентированными. Например, на базе языка Паскаль была создана объектно-ориентированная среда разработки Дельфи (1995 г.), на базе С - С++ (1980 г.), на базе Бейсика - Visual Basic (1991 г.). СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ЯЗЫКИ Для решения экономических задач в 1961 г. был создан язык Кобол (COBOL — Common Business Oriented Language). Считается, что Кобол был первым языком, предназначенным для работы с базами данных. Все реляционные СУБД (системы управления базами данных) используют структурированный язык запросов (SQL — Structured Query Language). Первоначально SQL был разработан фирмой IBM для работы с базами данных на больших ЭВМ. Затем SQL был принят в качестве национального стандарта США, а с 1987 г. — в качестве международного стандарта работы с реляционными базами данных. Языки Лисп (Lisp - LIST Processing) 1960 г. и Пролог 1978 г. были разработаны для решения задач, относящихся к искусственному интеллекту. Язык Пролог является непроцедурным языком логического программирования. Пролог относят к декларативным языкам высокого уровня. В декларативных языках даются описания исходных данных и правила вывода на их основе новых данных. Язык Лисп относится к непроцедурным языкам функционального программирования, в котором вычисления производятся на основе вызова множества связанных функций. В настоящее время интерес к Лиспу связан с тем, что на базе одного из диалектов языка (АвтоЛисп) разработана популярная графическая система Автокод. Развитие интернет-технологий послужило причиной создания целой серии языков. Язык гипертекстовой разметки HTML (HTML — HyperText Markup Language) был создан в 1989 г. для разработки вебстраниц. Результирующий документ, составленный на языке HTML, кроме текста может содержать иллюстрации, аудио- и видео-материалы. 72 Для придания веб-станицам интерактивности используется язык PERL (Practical Extraction and Report). С помощью этого языка веб-дизайнеры реализуют чаты, поисковые системы, доски объявлений и др. Эти же задачи можно решать с помощью скриптовых (сценарных) языков JavaScript и VBScript, которые называются клиентскими скриптовыми языками, потому что написанные на них программы при работе в Интернете пересылаются с сервера на машину клиента и интерпретируются браузером. В настоящее время JavaScript могут интерпретировать все браузеры, a VBScript — только Internet Explorer. Язык PHP (Plug and Play)— это пример серверного скриптового языка. Тексты на этом языке тоже встраиваются в вебстраницы, но интерпретация осуществляется на сервере до пересылки страницы на клиентскую машину. Язык Java предназначен для составления программ, которые работают в сети. Программы, написанные на языке Java, используются для создания динамической рекламы. Язык Java относится к объектно-ориентированным языкам. Синтаксис языка во многом похож на язык С++ . ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ЯЗЫКОВ ПРОГРАММИРОВАНИЯ Основу любого языка (естественного и искусственного) составляет алфавит — это совокупность символов, используемых в языке. Из алфавита формируется словарь (конструкции) алгоритмического языка, которым пользуются при составлении программы. Простейшими конструкциями алгоритмического языка являются: константы, переменные, функции, выражения, операторы. Константы и переменные — слова пользователей, описывающие информацию. (Слова пользователей для обозначения данных называются именами данных, или идентификаторами) Функции, выражения и операторы — служебные слова, означающие действия, выполняемые над информацией. (Служебные слова языка программирования называются ключевыми.) Имена данных не должны совпадать с ключевыми словами. Константы — данные, неизменяемые в процессе выполнения программы. К константам можно отнести явно заданные в программе числа и текст. Переменные — данные, значения которых меняются в ходе выполнения программы. Выражения — конструкции языка, предназначенные для проведения в программе арифметических действий с переменными и константами. Выражения могут включать функции. Функции отличаются от процедур тем, что они возвращают значение и поэтому могут входить в выражения. В любой среде программирования есть богатый набор встроенных функций. 73 Операторы — конструкции языка, указывающие на действия, которые должен выполнить компьютер. Данные, входящие в состав операторов, называются операндами. 74 ТИПЫ ДАННЫХ Во время выполнения программы данные хранятся в оперативной памяти компьютера. В каждом языке программирования есть разделы описания данных. Специальные операторы резервирует место для хранения данных. Для этого необходимо задать тип данных. Каждый тип данных характеризуется размером (количеством байт), требуемым для хранения значений данных, и диапазоном допустимых значений. Примеры основных типов данных Visual Basic приведены в табл. Табл. Тип данных Размер, Диапазон допустимых значений байт Byte (байт) 1 Целые положительные числа от 0 до 255 Integer (целое) 2 Целые числа от -32 768 до 32 767 Long (длинное целое) 4 Целые числа от -2 147 483 648 до 2 147 483 647 Char (символьный) 1 Символы — 256 Boolean (логический) 1 True (1) и False (0). Особым типом данных является указатель (ссылка), который служит для хранения адреса области памяти. СТРУКТУРЫ ДАННЫХ Данные могут объединяться в структуры. Данные, объединенные в структуры, называют составными данными. Массив — это упорядоченный набор однотипных данных. Массив обозначается именем, а элемент массива - порядковым номером. Массив характеризуется параметрами: размерностью и индексом. В общем случае массивы могут быть многомерными. Индекс служит для обращения к элементу данных. Пример. А[5] (индекс = 5) — пятый элемент одномерного массива A. B[2,5] (первый индекс = 2, второй индекс = 5) — пятый элемент во второй строке массива В. 75 Запись — объединяет разнотипные данные, описывающие один объект или процесс. Отдельные данные записи называются полями. Если в процессе обработки данных размер структуры изменяется, то она называется динамической структурой. Стек — это динамическая структура данных, при которой включение и исключение данных из структуры возможно только на одном конце стека, называемом вершиной. Такой принцип работы стека имеет название «последним пришел — первым вышел» (Last In Fist Out, LIFO). Очередь - это динамическая структура данных, при которой исключение элементов из структуры производится из начала очереди, а включение данных в конце очереди. Такой принцип работы очереди имеет название «первым пришел — первым вышел. Доступ к элементам очереди осуществляется по указателям начала и конца очереди. В зависимости от способа межэлементной связи различают линейные и нелинейные структуры. К линейным (или последовательным) структурам данных относятся: массив, запись, стек и очередь — к нелинейным структурам данных — список. Для связи элементов списка используются указатели, в которых хранятся адреса следующих элементов списка. Списки относятся к динамическим структурам, в которых можно произвольным образом менять структуру, в частности, исключать и добавлять элементы, а также объединять списки. Графическим представлением списка является ориентированный граф, в его вершинах содержатся данные, а дуги графа являются указателями. ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ЭТАПЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НА КОМПЬЮТЕРАХ Разработка программного комплекса состоит из нескольких этапов:  постановка задачи;  проектирование;  программирование;  отладка и тестирование;  создание документации;  сопровождение. На этапе постановки задачи формулируются общие требования к программному комплексу. Определяется состав входных и выходных данных, а также форма выдачи результатов. На этапе проектирования осуществляется выбор метода решения задачи, строится математическая модель, производится выбор языка 76 программирования, определяются структуры данных и разрабатываются алгоритмы решения задач. На этапе программирования (кодирования) пишутся программы. В процессе программирования проводится поэтапная отладка программы, при которой разработчик последовательно исправляет ошибки программного кода. После того как программа написана, проводится проверка правильности и надежности работы программы в различных условиях. Этот процесс называется тестированием. Используются несколько специальных терминов, описывающих различные способы тестирования. Если разработчик теста имеет доступ к исходному тексту программы, то такое тестирование называется тестированием «белого ящика», если не имеет, то тестирование называется тестированием «черного ящика». «Альфа»- и «Бета» -тестирование проводятся в реальных производственных условиях. Сначала проводится «Альфа»тестирование. Этим тестированием занимаются разработчики. Затем программный комплекс сдается в опытную эксплуатацию и тестированием начинают заниматься реальные пользователи («Бета»тестирование). В ходе опытной, а затем и промышленной эксплуатации выявляются не только ошибки работы программы, но и ошибки в описании общих требований к системе. Программисты исправляют ошибки и дорабатывают программный комплекс. Этот процесс называется сопровождением. Тестирование, при котором проверяется, как внесенные изменения повлияли на функциональность предыдущей версии программы, называется регрессионным тестированием. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОМПЛЕКСОВ ПРОГРАММ Имеются два способа проектирования комплексов программ. Первый способ — проектирование сверху-вниз. Этот способ основан на принципах системного подхода, при котором одна большая задача разбивается на составляющие подзадачи, каждая из которых в свою очередь также может быть разбита на подзадачи. Связи между подзадачами устанавливаются на уровне данных. Такой подход к созданию программных комплексов носит название структурного программирования, при котором имеется возможность организации совместной работы коллектива программистов. Второй способ — проектирование снизу-вверх. Этот способ предназначен для индивидуальной работы программиста. В этом случае постепенно, шаг за шагом, разрабатываются отдельные модули программного комплекса и наращиваются его функции. 77 ИНТЕГРИРОВАННЫЕ СРЕДЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ Интегрированные среды программирования предназначены для написания и отладки программ. Создание программы включает несколько этапов: написание текста, трансляция и компоновка. Текстовый редактор. Программы, написанные на языке высокого уровня, представляют собой обычный текст, поэтому они могут быть набраны в любом текстовом редакторе. Однако системы программирования часто содержат собственный текстовый редактор, содержащий ряд дополнительных функциональных возможностей. Например, редактор имеет систему встроенных подсказок для написания ключевых слов. Трансляция. Трансляция это способ преобразования исходного текста программы, написанного на языке высокого уровня, в язык машинных кодов (объектный код). В процессе трансляции проводится лексический, синтаксический и семантический анализ текста программы. Если в программе имеются ошибки, то система программирования выдает соответствующ ие сообщения. На этапе лексического анализа производится выделение из исходного текста отдельных слов и символов языка и их про верка. Определяются ключевые слова, имена объектов и данных, удаляются лишние пробелы и комментарии. На этапе синтаксического анализа проверяется возможность получения правильной грамматической фразы исходного языка. На этапе семантического анализа производится проверка типов данных. Существуют два способа трансляции: с помощью компиляторов и с помощью интерпретаторов. Интерпретация. При интерпретации отдельные операторы программы последовательно переводятся в язык машинных кодов, после чего они сразу же выполняются. При интерпретации легче проводить отладку программы. Компиляция. При компиляции сначала осуществляется перевод всего исходного текста программы в язык машинных кодов, а затем начинается процесс выполнения программы. Результатом работы компилятора является загрузочный модуль. Компоновка. Для создания сложных программных комплексов, состоящих из нескольких модулей, объектные модули объединяются в загрузочный модуль с помощью компоновщика (редактора связей или линковщика). 78 СТРУКТУРНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ В процессе создания больших программных комплексов возникает необходимость в организации совместной работы коллектива программистов. Структурный подход заключается в возможности разбиения основной программы на отдельные фрагменты (подпрограммы) и организации совместного использования данных. Подпрограммой называется фрагмент программы, имеющий имя и предназначенный для решения определенной задачи. В программах и подпрограммах применяются базовые управляющие конструкции алгоритмического языка, имеющие одну точку входа и одну точку выхода (следование, ветвление, цикл). Основная программа в зависимости от сложности может состоять из одной или более подпрограмм. Одна подпрограмма может вызывать другую и т. д. Для обращения к подпрограмме достаточно указать ее имя и список аргументов. Программы и подпрограммы хранятся в модулях. В один модуль помещается несколько программ и подпрограмм, которые имеют относительную независимость от программ, хранящихся в других модулях, и реализуют какую-либо задачу. Каждый модуль транслируется отдельно, а затем используется при формировании общего исполняемого модуля. Основным преимуществом использования модульного принципа программирования является возможность отладки и тестирования модуля независимо от других модулей. Взаимодействие подпрограмм происходит с помощью обмена данными. Существуют два способа обмена данными между подпрограммами: с помощью глобальных переменных и с помощью передачи параметров. Переменные, объявленные в подпрограмме, являются локальными. Это значит, что использовать значения этих переменных можно только внутри этой подпрограммы. В конце выполнения подпрограммы все локальные переменные теряют свои значения и перестают существовать. Переменные, объявленные в разделе общего описания модуля, являются глобальными. Доступ к глобальным переменным имеется во всех подпрограммах модуля. Значения глобальных переменных сохраняются по тех пор, пока не закончится выполнение всех связанных подпрограмм. 79 При обмене данными между подпрограммами выделяются два момента: описание подпрограмм и обращение к ним (вызов). Если обмен данными между подпрограммами осуществляется через глобальные переменные, то для вызова подпрограммы достаточно указать ее имя. При обмене данными с помощью передачи параметров необходимо при вызове подпрограммы, кроме ее имени, указать перечень передаваемых параметров, которые называются фактическими параметрами, а при описании подпрограммы указать перечень принимаемых параметров, которые называются формальными параметрами. Фактические параметры должны соответствовать формальным параметрам по количеству, порядку перечисления и типу. При вызове подпрограммы формальные параметры заменяются фактическими. Существуют два способа замены формальных параметров: по ссылке и по значению. Передача параметра по ссылке означает передачу в подпрограмму адреса фактического параметра переменной. При этом любое изменение формального параметра внутри подпрограммы приводит к изменению соответствующего фактического параметра. Переменные, в которых должны содержаться результаты выполнения подпрограммы, следует передавать по ссылке. Передача параметров по значению означает пересылку значения фактического параметра в ячейку памяти, отведенную для хранения формального параметра. Это обеспечивает сохранность величины фактического параметра. Если фактическое значение параметра является константой или выражением, то следует использовать передачу данных по значению. Функции являются расширением подпрограмм. Функции могут делать все, что могут делать подпрограммы, и вдобавок они возвращают какое-то значение. Классическими примерами функций во всех алгоритмических языках являются стандартные математические функции: синус, косинус и т. д. Имя функции одновременно является именем подпрограммы и именем результата выполнения подпрограммы. Подпрограммы и функции могут вызывать сами себя. В этом случае они называются рекурсивными функциями, или подпрограммами. ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ Объектный подход является следующей ступенью в развитии структурного программирования. В основе объектно-ориентированного программирования лежит идея объединения в одной структуре, называемой объектом, данных и программ, которые обрабатывают эти данные. 80 Понятие объекта включает в себя параметры объекта (свойства) и программные средства для работы с ним (методы). По существу каждый объект представляет собой программный комплекс. Данные этой программы называются свойствами, а отдельные подпрограммы обработки данных называются методами. В объектно-ориентированном программировании используется определенная форма записи при работе с объектами. Объекты характеризуются свойствами. Изменять свойства объектов можно с помощью оператора присвоения. Обращение к свойству объекта: ОБЪЕКТ. СВОЙСТВО = А В данном примере свойству объекта присвоено значение переменной А. В = ОБЪЕКТ. СВОЙСТВО В данном примере переменной В присвоено значение свойства объекта. Вызов метода, выполняющего действия над тем или другим объектом, записывается следующим образом: ОБЪЕКТ. МЕТОД Объекты одного и того же типа объединяются в классы. Классы, участвующие в определении нового класса, называются базовыми или родительскими, а создаваемые классы - производными. В общем виде совокупность классов (базовых и производных) может представлять собой иерархическую структуру. События - сигналы, формируемые пользователем или программой, для которых объект имеет свои методы обработки. В основе объектно-ориентированного программирования лежат три важных понятия: инкапсуляция, наследование и полиморфизм. Инкапсуляция - позволяет объединить данные и код в один объект и при этом скрыть реализацию объекта от пользователя. Пользователю предоставляется возможность взаимодействовать с объектом только через его интерфейс. Наследование — это способность описать новый класс на основе уже существующего (родительского). При этом свойства и функциональность родительского класса заимствуются новым классом. Полиморфизм - это возможность по-разному трактовать одноименные объекты, их свойства и методы в зависимости от каких-то внешних обстоятельств. Полиморфизм позволяет писать более абстрактные программы и повысить коэффициент повторного использования кода. 81 Примеры вопросов 1. Базовыми понятиями объектно-ориентированного программирования являются:  объект;  класс;  структура;  функция? 2. В объектно-ориентированном программировании формат программного кода, задающий использование метода, имеет вид:  <метод> . <объект> ;  <обьект> . <метод>: = <значение>;  <обьект> . <метод>;  <объект> = <значение>? 3. На каком этапе можно изменить свойства объекта при создании приложения в объектно-ориентированном программировании:  только на этапе создания программного кода приложения;  на этапе проектирования формы и на этапе создания программного кода приложения;  на этапе тестирования программного кода приложения;  только на этапе проектирования формы? 4. Установите правильное соответствие между понятиями объектно-ориентированного программирования и их описаниями. Свойство - параметр объекта, который определяет поведение объекта. Событие - сигнал, формируемый внешней средой, на который объект должен отреагировать. Класс - совокупность объектов, обладающая общими свойствами и поведением. 5. В концепции объектно-ориентированного подхода к программированию Н Е ВХОДИТ  дискретизация;  инкапсуляция;  полиморфизм;  наследование? 6. Как называется в объектно-ориентированном программировании способность объекта сохранять свойства и методы класса-родителя? -Наследованием. 82 АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ ПОНЯТИЕ АЛГОРИТМА И ЕГО СВОЙСТВА Алгоритм представляет собой последовательность действий, приводящих к конечному результату. С точки зрения информатики алгоритм - это конечная последовательность операций или правил, преобразующих исходную входную информацию в выходную. Свойства алгоритма:  Дискретность - процесс преобразования данных должен представлять отдельные шаги;  Детерминированность - каждая операция по обработке данных должна быть однозначно определена;  Конечность - процесс преобразования данных должен быть конечным;  Массовость - правила или операции по обработке данных должны быть универсальными для целого класса задач или исходных данных. Разработанный алгоритм можно записать несколькими способами: на естественном языке; на языке программирования; в виде блоксхемы. При решении ряда комбинаторных задач точное оптимальное решение может быть найдено только при полном переборе всех возможных вариантов. Время поиска оптимального решения таких задач пропорционально факториалу размерности задачи (n!). Поэтому для задач больших размерностей применяют эвристические алгоритмы, которые не дают гарантии получения оптимального решения, но находят приемлемые решения за относительно небольшое время. Примером эвристического алгоритма может служить генетический алгоритм, который используется для решения задач оптимизации и моделирования путем последовательного подбора искомых параметров с применением механизмов, напоминающих биологическую эволюцию. Примеры вопросов 1. Понятие алгоритма определяется как ... формально описанная процедура преобразования входных данных в выходные данные, представляющие собой искомый результат. 2. К свойствам алгоритма относятся:  стохастичность, универсальность;  непрерывность, неопределенность;  непрерывность, уникальность;  дискретность, детерминированность? 83 3. Информационный процесс с известным начальным состоянием объектов, конечным состоянием, исполнителем и набором операций из системы команд исполнителя называется:  аналитическим процессом;  алгоритмическим процессом;  компиляцией;  моделированием? 4. Решение задачи нахождения пути в лабиринте, это:  перебор возможных решений с возвратом;  применение эвристического алгоритма;  градиентный спуск;  минимальный поиск с отсечением? 5. Эвристика — это процедура:  является частью информационного приложения;  лежит в основе алгоритма решения поставленной задачи;  осуществляет полный перебор вариантов решения задачи;  сокращает количество шагов поиска решений? СЕТИ ЭВМ И ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ КЛАССИФИКАЦИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ Вычислительная сеть – это совокупность вычислительных систем и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему. Сеть могут образовывать компьютеры разных типов (мини-компьютеры, рабочие станции, суперкомпьютеры). Абонентами сети (т.е. объектами, генерирующими или потребляющими информацию в сети) могут быть отдельные компьютеры, комплексы ЭВМ, терминалы, промышленные роботы, станки с числовым программным управлением и т. д. Вычислительные сети подразделяются на два вида: локальные и глобальные. Локальные вычислительные сети (ЛВС, Ethernet) представляют собой совокупность однородных технических систем, объединенных каналами связи и обеспечивающих на небольшой территории (до нескольких километров) пользователям доступ к распределенным вычислительным и информационным ресурсам. Глобальные вычислительные сети обеспечивают взаимодействие ЛВС на большой территории, расстояния между ЛВС могут достигать 84 десятки тысяч километров. Глобальные вычислительные сети могут быть объединены между собой с помощью Интернета. Разработка любого сетевого проекта начинается с выбора архитектуры будущей компьютерной сети. Под архитектурой вычислительной сети принято понимать объединение топологий сети, определяющих ее конфигурацию, а также сетевых протоколов и стандартов, обеспечивающих ее работоспособность. Примеры вопросов 1. Сеть, состоящая из взаимодействующих вычислительных систем, абонентских пунктов и терминалов, связанных между собой каналами передачи данных, называется:  локальной сетью;  системой управления данными;  автоматизированной линией;  вычислительной сетью? 2. Абонентами сети являются:  пользователи персональных компьютеров;  объекты, генерирующие или потребляющие информацию сети;  аппаратура коммуникаций;  администраторы сетей? 3. Множество компьютеров, связанных каналами передачи информации и находящиеся в пределах одного здания, называется:  региональной компьютерной сетью;  информационной системой с гиперсвязью;;  глобальной компьютерной сетью  локальной компьютерной сетью? 4. Комбинация стандартов, топологий и протоколов для создания работоспособной сети называется:  семантикой сети;  сетевой архитектурой;  сетевой морфологией;  прагматикой сети? ТОПОЛОГИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ Топологией сети называется физическую или электрическую конфигурацию кабельной системы и соединений сети. В топологии сетей применяют несколько специализированных терминов:  узел сети - компьютер, либо коммутирующее устройство сети;  ветвь сети - путь, соединяющий два смежных узла;  оконечный узел - узел, расположенный в конце только одной ветви; 85  промежуточный узел - узел, расположенный на концах более чем одной ветви;  смежные узлы - узлы, соединенные, по крайней мере, одним путём, не содержащим никаких других узлов. Существует всего 5 основных типов топологии сетей: 1. Топология “Общая Шина”. В этом случае подключение и обмен данными производится через общий канал связи, называемый общей шиной: Общая шина является очень распространенной топологией для локальных сетей. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки и унифицирует подключение различных модулей. Основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какогонибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети. 2. Топология “Звезда”. В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети: В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной - существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность 86 концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи. К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей как в локальных, так и глобальных сетях. 3. Топология “Кольцо”. В сетях с кольцевой топологией данные в сети передаются последовательно от одной станции к другой по кольцу, как правило, в одном направлении: Если компьютер распознает данные как предназначенные ему, то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Преимущество данной топологии - простота управления, недостаток - возможность отказа всей сети при сбое в канале между двумя узлами. По методу доступа к каналу связи различают два основных типа кольцевых сетей: маркерные и тактовые. В маркерных кольцевых сетях по кольцу передается специальный управляющий маркер (метка), разрешающий передачу сообщений из компьютера, который им «владеет». При отсутствии у компьютера сообщения для передачи он пропускает движущийся по кольцу маркер. В тактовом кольце по сети непрерывно вращается замкнутая 87 последовательность тактов. В каждом такте имеется бит — указатель занятости. Свободные такты могут заполняться передаваемыми сообщениями по мере необходимости либо за каждым компьютером могут закрепляться определенные такты 4. Ячеистая топология. Для ячеистой топологии характерна схема соединения компьютеров, при которой физические линии связи установлены со всеми рядом стоящими компьютерами: В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей. Достоинства данной топологии в ее устойчивости к отказам и перегрузкам, т.к. имеется несколько способов обойти отдельные узлы. 5. В настоящее время используется полносвязная топология, комбинирующая базовые топологии: звезда — шина, звезда — кольцо, при которой каждый компьютер непосредственно соединен со всеми компьютерами вычислительной сети. Разнообразие топологий локальных вычислительных сетей и методов доступа к ним породило соответствующие разновидности протоколов канального и физического уровней управления. 6. Смешанная топология. В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию - звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно подсети, имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со 88 смешанной топологией: Примеры вопросов 1. Топология сети определяется  структурой программного обеспечения;  способом соединения узлов сети каналами (кабелями) связи;  конфигурацией аппаратного обеспечения;  способом взаимодействия компьютеров? 2. Схема соединений узлов сети называется:  топологией сети;  доменом сети;  протоколом сети? 3. Топология локальной сети, в которой все рабочие станции непосредственно соединены с сервером, называется:  древовидной;  шинной;  радиальной;  кольцевой? 4. Какая топология не является базовой:  в виде снежинки;  звездообразной;  в виде кольца;  общая шина? 89 5.     Представленная на рис. сеть соответствует топологии общая шина; полносвязная; звезда; полносвязная 6. Служебное сообщение определенного формата, в которое абоненты сети могут помещать свои информационные пакеты, называется:  пакетом:  стеком;  токеном;  маркером? СЕТЕВЫЕ СТАНДАРТЫ Протокол - это набор соглашений, который определяет обмен данными между различными программами. Протоколы задают способы передачи сообщений и обработки ошибок в сети, а также позволяют разрабатывать стандарты, не привязанные к конкретной аппаратной платформе. Сетевые протоколы предписывают правила работы компьютерам, которые подключены к сети. Они строятся по многоуровневому принципу. Протокол некоторого уровня определяет одно из технических правил связи. В настоящее время для сетевых протоколов используется модель OSI. Концептуальной основой построения вычислительных сетей является базовая эталонная модель взаимосвязи открытых систем OSI (Open Systems Interconnection), которая разработана международной организацией по стандартизации ISO (International Standards Organization). Модель OSI включает семь уровней управления, обеспечивающих взаимодействие прикладных процессов пользователей и программ. Уровень 1 - физический — реализует управление каналом связи, что сводится к подключению и отключению каналов и формированию сигналов, представляющих передаваемые данные. Уровень 2 — канальный — обеспечивает надежность передачи данных, используя средства контроля и обнаружения ошибок. Уровень 3 — сетевой — выбирает маршрут передачи данных по линиям связи. Уровень 4 - транспортный — обеспечивает обмен данными (сопряжение) между сетью передачи данных и абонентами сети. Уровень 5 — сеансовый — организует сеансы связи на период взаимодействия процессов пользователей. На этом уровне производится аутентификация и проверка полномочий. Уровень 6 — представления — обеспечивает взаимодействие 90 разнородных систем через преобразование различных форматов данных и кодов. Уровень 7 — прикладной — реализует сетевые вычислительные услуги (почта, телеконференции и т.п.). Многоуровневая организация создает независимость управления на уровне п от функционирования нижних и верхних уровней, обеспечивая открытость и гибкость системы. Как правило, уровни 1 и 2 реализуются техническими средствами, а уровни 3 — 6 — программными средствами. Семейство стандартов IEEE 802.x содержит рекомендации для проектирования нижних уровней локальных сетей. Стандарты семейства охватывают только два нижних уровня модели OSI — физический и канальный. В Интернете на транспортном уровне используется протокол TCP (Transmission Control Protocol), а на сетевом уровне - протокол IP (Internet Protocol). Эти два протокола взаимосвязаны, поэтому их часто объединяют и называют протоколом TCP/IP. Протокол TCP реализует на узле отправителя пакетирование сообщений (разбивку сообщения на части), а на узле-получателе - сборку пакетов в единое сообщение. Протокол IP обеспечивает передачу информации по сети, определяет маршрут передачи информации и формат представления адресов. Примеры вопросов 1. Сетевым протоколом является:  набор программ;  инструкция;  набор правил;  программа? 2. Сколько уровней взаимодействия имеет модель открытых сетей (OSI)? - семь. 3. На сетевом уровне взаимодействия открытых сетей определяется (ются):  правила маршрутизации;  необходимые программы, которые будут осуществлять взаимодействие;  адресация в системе передачи данных;  взаимодействие систем с порядком передачи данных? 4. На каком уровне осуществляется взаимодействие программ:  физическом;  транспортном;  прикладном;  сетевом 91 5. является:     разработчиками стандартов для локальных вычислительных сетей Microsoft; IEEE 802; Intel; Hp? 6. В глобальной компьютерной сети Интернет протокол Transport Control Protocol (TCP) обеспечивает:  передачу информации по заданному адресу;  разбиение передаваемого файла на части (пакеты);  получение почтовых сообщений;  передачу почтовых сообщений? 7. НЕ ИНКАПСУЛИРУЕТСЯ пакет уровня:  транспортного;  представления данных;  сетевого;  канального? транспортный СЕТЕВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В вычислительных сетях используется технология «клиент — сервер», обеспечивающая распределенную обработку данных. Основной принцип технологии заключается в разделении функций между сервером и клиентом. Сервер организует доступ к ресурсам общего пользования, а клиент использует ресурсы. Компьютер, управляющий тем или иным ресурсом, принято называть сервером этого ресурса (файл-сервер, сервер приложений, сервер базы данных), а компьютер, имеющий возможность использовать ресурс, — клиентом. Программное обеспечение, обслуживающее клиент-серверную технологию, подразделяется на программное обеспечение, реализующее функции сервера (оно устанавливается на компьютере-сервере), и программное обеспечение, обеспечивающее доступ клиентов к ресурсам сети (оно устанавливается на компьютерах-клиентах). Примеры вопросов 1. К какому виду относится клиент-серверная обработка данных?  локализованный;  параллельный;  двунаправленный;  распределенный? 2. Клиентом называется: 92  задача, рабочая компьютерная станция или пользователь компьютерной сети;  корпоративная сеть или сеть Интранет  локальная сеть;  сеть нижнего уровня иерархии? 3. Сервер сети — это компьютер:  с наибольшим объемом памяти;  предоставляющий доступ к ресурсам;  предоставляющий доступ к клавиатуре и монитору;  с наибольшей частотой процессора? КАНАЛЫ СВЯЗИ Обмен информацией в вычислительных сетях осуществляется по проводным и беспроводным каналам связи. Каналы связи характеризуются пропускной способностью, помехоустойчивостью и стоимостью. Проводные каналы связи используют три типа кабелей: витую пару, коаксиальный и оптоволоконный кабель. Проводные каналы чаше всего используются для создания локальных компьютерных сетей. 4. Витая пара является наиболее дешевым кабельным соединением с низкой помехоустойчивостью. Длина кабеля не может превышать 1000 м. Витая пара состоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. Самый простой вариант витой пары — телефонный кабель. Коаксиальный кабель хорошо помехозащитен и применяется для связи на большие расстояния (несколько километров). Оптоволоконный кабель является самым высокоскоростным (более 1 Гбит/с), помехоустойчивым и дорогим. Длина кабеля — более 50 км. К беспроводным каналам связи относится радио-, радиорелейная и спутниковая связь. Эти виды дальней связи. В настоящее время широкое распространение получает WI-FIтехнология, которая позволяет организовывать скоростной доступ в Интернет без использования проводов, в частности, подключение к Интернету с помощью мобильного телефона. Беспроводная связь IrDA (инфракрасный порт) является самым недорогим и удобным способом передачи небольших объемов данных на небольшие расстояния между ноутбуками, а также между ноутбуком и мобильным телефоном. В отличие от радио-интерфейсов канал передачи информации создается с помощью оптических устройств. Примеры вопросов 1. Для подключения абонентов к глобальной сети используются каналы:  телефонной связи; 93  сотовой связи;  телеграфной связи;  спутниковой связи? 2. Для соединения компьютеров в локальных используются:  витая пара;  телефонный двухжильный кабель;  оптоволоконный кабель;  коаксиальный кабель? 3. Линией связи с минимальной задержкой является:  модемная линия;  ADSL;  волоконно-оптическая линия связи;  спутниковый канал? 4. Телефонный кабель является вариантом:  коаксиального кабеля;  оптического-высокочастотного;  оптоволоконного;  витой пары? 5. Укажите варианты беспроводной связи:  Ethernet;  Wi-Fi;  IrDA;  FDDI? 6. Скорость передачи информации тем выше, чем:  меньше уровень помех;  короче символы;  ниже полоса пропускания связи;  зависит от других характеристик? сетях (Ethernet) ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ В СЕТИ Имеются три способа передачи информации в вычислительных сетях: коммутация каналов, коммутация сообщений и коммутация пакетов. При коммутации каналов образуется непосредственное физическое соединение двух узлов. Установленное физическое соединение находится в монопольном владении абонентов, независимо оттого, используется оно или нет. Примерами глобальных сетей с коммутацией каналов являются аналоговые телефонные сети общего назначения и цифровая сеть ISDN. При коммутации сообщений информация передается порциями в виде готовых документов. На время передачи сообщения канал становится недоступным для других пользователей. Этот вид коммутации используется в системах электронной почты. 94 При коммутации пакетов обмен производится короткими порциями фиксированной структуры и длины. Пакет — это часть сообщения. Малая длина пакета предотвращает блокировку каналов связи и увеличивает их пропускную способность. Пакеты на узле отправителя нумеруются, снабжаются адресами и последовательно передаются по сети по разным, свободным в конкретный момент времени, каналам связи. Пакеты приходят на узел-получатель в произвольном порядке, в зависимости от выбранного в момент отправки канала. Полное сообщение собирается на узле коммутации получателя. Коммутация пакетов повышает эффективность использования каналов связи за счет перераспределения трафика. В компьютерной технике трафиком называется объем информации или поток информации, передаваемой по сети. Примеры вопросов 1. Наиболее эффективным способом коммуникации для передачи компьютерного трафика являются:  каналы;  пакеты;  сообщения? 2. Поток сообщений в сети передачи данных определяется:  объемом памяти канала передачи сообщений;  трассой;  треком;  трафиком? 95 КОММУНИКАЦИОННОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 1 3 Передачу информации между компьютерами в сети обеспечивает коммуникационная система, которая может включать в себя модемы, повторители, коммутаторы, маршрутизаторы и другие устройства. Модем используется в качестве устройства подключения локальной сети или отдельного компьютера к глобальной сети Интернет через телефонные каналы связи. Поскольку компьютер представляет собой цифровое устройство, а телефон — аналоговое, то совместно они могут работать только при наличии специального средства сопряжения. Таким средством и является модем. Назначение модема — преобразование цифровой информации в аналоговую, путем модуляции и демодуляции дискретных и аналоговых электрических сигналов. Повторитель — устройство, обеспечивающее усиление сигнала без изменения его информативности. По мере передвижения по линиям связи сигналы затухают. Для уменьшения влияния затухания используются повторители. Повторитель не только усиливает принимаемые сигналы, но и восстанавливает их характеристики, уменьшая помехи. Повторитель работает на физическом уровне модели OSI. Мультиплексор - устройство или программа, позволяющие передавать по одной коммуникационной линии одновременно несколько различных потоков данных за счет частотного разделения канала. Концентратор — сетевое устройство для объединения нескольких устройств локальной сети в общий сегмент сети. Концентратор работает на физическом уровне модели OSI. В последнее время концентраторы используются довольно редко, вместо них получили распространение коммутаторы — устройства, работающие на канальном уровне модели OSI и повышающие производительность сети путем логического выделения каждого подключенного устройства в отдельный сегмент. Мост — устройство, соединяющее локальные сети разных топологий, работающих под управлением однотипных сетевых операционных систем, имеющих одинаковые протоколы. Сетевой мост работает на втором уровне модели OSI. Определение пути, по которому будет передано сообщение или пакет, осуществляется с помощью специального устройства - маршрутизатора (или роутера). Протокол IP выполняет функции маршрутизации (третий уровень модели OSI), выбирая путь для передачи сообщений. На каждом узле маршрутизатор определяет, в каком направлении передать поступившее сообщение. Для поиска лучшего маршрута к любому адресату в сети используются таблицы маршрутизации. Интернет объединяет сети, которые работают по различным правилам. Для согласования этих правил (протоколов) служат специальные устройства, называемые шлюзами. С помощью шлюзов можно подключить локальную вычислительную сеть к глобальной вычислительной сети. 96 Примеры вопросов 1. Устройством для преобразования цифровых сигналов в аналоговую форму является ... модем? 2. Модем — это устройство, служащее:  для связи компьютера с сетью напрямую с помощью электрического кабеля;  дня связи компьютера со сканером;  для связи компьютера с сетью через телефонные линии связи;  для модуляции/демодуляции? 3. Устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды расстояние, называется:  мультиплексором передачи данных;  модемом;  повторителем;  концентратором? 4. Устройством, соединяющим две сети, использующие одинаковые методы передачи данных, является ... мост? 5. Устройство сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи называется ... концентратором? 6. Устройство, коммутирующее несколько каналов связей на один путем частного разделения, называется ... мультиплексором? 7. Шлюз служит для:  организации обмена данными между двумя сетями с различными протоколами взаимодействия;  подключения локальной сети к глобальной;  преобразования прикладного уровня в канальный при взаимодействии открытых систем;  сохранения амплитуды сигнала при увеличении протяженности сети? СИСТЕМА АДРЕСАЦИИ СЕТИ ИНТЕРНЕТ Глобальная сеть Интернет представляет собой совокупность узлов (хостов), содержащих коммуникационное оборудование и серверы. К узлам подключаются пользователи — локальные вычислительные сети и отдельные клиенты. Для идентификации узлов сети Интернет используется иерархическая доменная система имен (DNS). Доменом называется некоторая область сети, которой присваивается собственное имя. Каждый домен может входить в домен более высокого уровня и в то же время может включать в себя домены более низкого уровня. Каждому уровню соответствует свой домен, домены отделяются друг от друга точками. В адресе может быть любое число доменов. Домены нижних уровней задаются произвольно. Домены верхнего 97 уровня (самые правые в адресе) подчиняются следующему соглашению: если указывается две буквы — домен определяет страну, в которой расположен адресуемый узел; если указываются три буквы, — домен определяет род деятельности или организацию. Например, гu — Россия, uk — Великобритания, fr — Франция, edu — учебные заведения, net — организации, отвечающие за разработку и поддержку компьютерных сетей, соm — коммерческие организации, org — прочие организации и т.д. Перевод доменных адресов в физические адреса осуществляется с помощью специальных серверов DSN, на которых хранится информация о соответствии символьных (доменных) и физических (числовых) имен. Числовой адрес хоста называется IP-адресом. Он представляет собой четырехбайтовую последовательность, разделенную точками, каждый байт которой записывается в виде десятичного числа в интервале от 0 до 255. URL — это стандартизированный способ записи адреса ресурса в сети Интернет. Синтаксис записи адреса: <протокол доступа >://<доменный адрес хоста >/< URL путь > Пример. Пусть файл photo 1 .gif располагается на сервере ftp.clipart. com в папке /pub/photos/. Доступ к серверу — по протоколу FTP. Тогда адрес URL будет иметь вид: ftp://ftp. clipart.com/pub/photos/photo/.gif Примеры вопросов: 1. Системой, автоматически устанавливающей связь между 1Р-алресами в сети Интернет и текстовыми именами, является:  протокол передачи гипертекста;  Интернет-протокол;  доменная система имен (DNS);  система URL-адресации 2. Чему равна разрядность сетевого IP-адреса компьютера? — 32 бита. 3. Часть адреса http://www.osp.ru/archlit/77.htm. являющаяся адресом host-компьютера ... www.osp.ru. 4. Выделенная курсивом часть электронного адреса ресурса http: \\www.google.com. Inf02000/defl23.html обозначает ... имя файла на удаленном компьютере. 5. Имеется адрес электронного ресурса: http://www.google.com/ info2000/01_02_05/detl23.html Путь к файлу, расположенному на сервере, описывает такая часть электронного адреса ресурса как ... /info2000/01_02_05/. 6. Из списка: com, edu, uk, gov. ua, net, ru, de к географическим доменам первого уровня относятся ... uk, ua, ru, de. 7. Укажите правильно записанный IP-адрес в компьютерной сети:  www.50.50.10; .  10.172.122.26; 98    193.264.255.10; 192.154.144.270; www. alfa 193. com? СЕРВИСЫ ИНТЕРНЕТА Вычислительные услуги сети можно подразделить на:  коммуникационные услуги, обеспечивающие обмен сообщениями между абонентами сети;  информационные услуги, обеспечивающие доступ к удаленным документам и базам данных;  услуги доступа к удаленным устройствам сети. Коммуникационные услуги. Существуют два режима общения в сети: в режиме реального масштаба времени (on-line) и в режиме отложенного сообщения, когда пользователи обмениваются сообщениями (off-line). Электронная почта (E-mail, off-line). Эта служба является одной из первых услуг, реализованных в Интернете, и широко используется до настоящего времени. Посредством E-mail можно обмениваться письменными сообщениями с другими пользователями, присоединяя к этим сообщениям при необходимости любые файлы. Для обеспечения работы электронной почты в Интернете используются протоколы прикладного уровня SMTP, РОРЗ и UUCP. Форма записи адреса электронной почты: Имя пользователя @ доменный_адрес_хоста Группы новостей, телеконференции (UseNet, off-line) - эта служба также позволяет пользователям обмениваться сообщениями, но процесс общения ограничивается рамками некоторой группы пользователей. В отличие от E-mail клиент UseNet направляет сообщение не индивидуальному адресату, а всем участникам телеконференции. Каждая телеконференция имеет свой адрес и посвящена какой-либо теме. По некоторым данным количество телеконференций в Интернете превышает 10000. Поэтому телеконференции в UseNet организованы в виде категорий и подкатегорий. Основными категориями верхнего уровня являются следующие: sci - прикладные науки; soc - общественные науки и искусство; гес - развлечения, спорт, отдых, музыка, игры; news - новости и информация об UseNet; clari - новости, распространяемые только по подписке; соmр - вопросы, связанные с компьютерами; biz - реклама и другие вопросы, связанные с бизнесом; talk - обсуждение общих тем. Электронная доска объявлений - вариант телеконференции, основу которого составляет специальная база данных, в которой различными пользователями размещаются объявления и сообщения с целью их демонстрации другим пользователям. Примерами электронных досок 99 объявлений могут служить Fidonet и сети телеконференций BBS (bulletin Board System). Диалоговые конференции (Internet Relay Chat - IRC или просто Chat, on-line). Эта разновидность телеконференций обеспечивает возможность «живого» диалога («болтовня» в реальном времени), включая реальные аудио- и видеовозможности. Интернет-пейджер (ICQ, on-line), который в отличие от обычного пейджера позволяет вести не односторонний, а двухсторонний обмен информацией в реальном масштабе времени. Примеры вопросов 1. Верным является утверждение:  «Нельзя посылать одно письмо сразу нескольким адресатам»:  «Электронное письмо может быть только на русском или только на английском языке»;  «В электронное письмо можно вкладывать файлы, рисунки, видеоролики»;  «Электронный почтовый ящик можно создать только у своего провайдера Интернета» 2. Протокол SMTP предназначен для:  просмотра веб-страниц;  отправки электронной почты;  общения в чате;  приема электронной почты? 3. Протокол РОРЗ работает:  на сетевом уровне;  на транспортном уровне;  на физическом уровне;  на прикладном уровне? 4. Дискуссионная группа, входящая в состав Usenet, называется:  группа серверов;  группа в сети;  flash map;  телеконференция? 5. Sci — является одной из рубрик телеконференций, выделяющей:  информацию и новости;  темы, связанные с компьютером;  социальную тематику;  темы из области научных исследований? 6. Soc — является одной из рубрик телеконференции, выделяющей:  темы из области научных исследований;  информацию и новости;  темы, связанные с компьютером; 100  социальную тематику? 7. BBS – это:  система электронных досок объявлений в Интернете;  программа для работы в Интранете;  навигатор;  программа обслуживания сервера организации? Услуги доступа к удаленным устройствам. Удаленный терминал (TELNET) позволяет пользователю управлять ресурсами удаленного компьютера, а именно редактировать и удалять файлы, запускать программы, находящиеся на удаленном компьютере, а также управлять периферийными устройствами, например принтером. Пример вопроса 1. Сервис Telnet является программой:  для работы с электронными досками;  для работы с удаленным компьютером;  для обслуживания локальной сети;  для обеспечения безопасной работы в сети Информационные услуги. Передача файлов (File Transfer Protocol FTP) позволяет пользователю просматривать архивы файлов, передавать и получать файлы по сети Интернет. Этот сервис является одним из основных способов распространения по сети бесплатных программ и дополнений к коммерческим версиям программ. Всемирная паутина (World Wide Web - WWW) - это распределенная гипертекстовая информационная система. В настоящее время WWW — это наиболее развитая информационная служба Интернет. Гипертекст - это документ, который наряду с обычной текстовой и графической информацией содержит ссылки на другие документы, включая и мультимедийные (графические, звуковые и видео). Для создания гипертекстовых документов используется специальный язык гипертекстовой разметки HTML. Веб-страницами называют наименьший документ сети, имеющий доменный адрес. Сайтом называется группа веб-страниц, размещенных на одном сервере и объединенных по какому-то признаку. Для обмена гипертекстовой информацией в сети используется протокол прикладного уровня HTTP. Примеры вопросов 1. FTP-сервер - это:  компьютер, на котором содержатся файлы, предназначенные для администратора сети;  компьютер, на котором содержится информация для организации работы телеконференций;  корпоративный сервер; 101  компьютер, в котором содержатся файлы, предназначенные для открытого доступа? 2. К службам сети Интернет не относят:  FTP (службу передачи файлов);  HTML (язык разметки гипертекста);  E-mail (электронную почту); .  World Wide Web? 3. Указать протокол, используемый для доступа к файлам, хранящимся на серверах файловых архивов. — FTP. 4. Протокол FTP в универсальном указателе ресурсов Интернета (URL) используется для доступа:  к почтовому ящику;  к файлу в файловом архиве;  к веб-странице;  к телеконференции 5. Протокол HTTP в универсальном указателе ресурсов Интернета (URL) используется для доступа:  к почтовому ящику;  к файлу в файловом архиве;  к веб-странице;  к телеконференции? 6. Унифицированный указатель на ресурс - URL (например, «http:// ru.wikipedia.org/wiki/Зaглaвнaя_cтpaницa») содержит:  логин и пароль;  путь к файлу на сервере;  e-mail адрес;  имя протокола доступа к ресурсу? 7. Компьютер, подключенный к Интернету, обязательно имеет:  веб-страницу;  доменное имя;  e-mail (электронную почту);  IP-адрес? ПРОГРАММЫ ДЛЯ РАБОТЫ В СЕТИ ИНТЕРНЕТ Для работы во всемирной паутине используются специальные программы, называемые навигаторами, обозревателями или браузерами. Имеется множество различных браузеров. Первым браузером, который позволял просматривать текстовые документы и графические изображения, был Mosaic. В настоящее время широкое распространение имеют Internet Explorer, FireFox, Opera. Помимо просмотра веб-страниц современные 102 браузеры дают возможность пользоваться и другими услугами сети Интернет (посылать электронные письма абонентам сети, получать файлы FTP и пр.). Наиболее популярными программами, предназначенными для работы с электронной почтой, являются Outlook Express, Microsoft Outlook, The Bat. Outlook Express входит в состав стандартных программ операционной системы Windows и позволяет работать с электронной почтой и группами новостей. Microsoft Outlook входит в состав стандартных программ MS Office и представляет собой программу-органайзер (записная книжка, календарь, планировщик задач) с функциями почтового клиента. Tte Bat! — условно-бесплатная программа для работы с электронной почтой для ОС Windows. Программа The Bat! поддерживает множество функций, в частности проверку орфографии, шифрование почтовой базы и фильтрацию электронной макулатуры (защиту от спама). Примеры вопросов 1. Браузер является:  сетевым вирусом;  средством просмотра веб-страниц;  языком разметки веб-страниц;  транслятором языка программирования? 2. Адрес веб-страницы для просмотре в браузере начинается с:  nntp// ;  http://;  ftp://;  irc:// ? 3. Приложение Internet Explorer позволяет:  загружать новостные группы по протоколу NNTP;  общаться в чате по протоколу IRC;  загружать веб-страницы по протоколу HTTP и файлы по протоколу FTP;  передавать файлы по протоколу FTP? 4. Установите соответствие между основными терминами и их значениями: «навигатор» всемирной паутины — веб-браузер; путешествие с одной страницы Интернета на другую — Серфинг; электронный почтовый ящик — Mailbox; всемирная паутина — World Wide Web. 5. Электронная почта является компонентом информационной технологии автоматизированного:  офиса;  отчета;  издания;  средства распознавания? 103 6. Для чтения электронной почты программы:  Outlook Express;  The Bat;  Windows XP;  PhotoShop? 7. Программа The Bat позволяет:  управлять работой сервера;  загружать веб-страницы;  загружать электронную почту;  архивировать электронную почту?  предназначены следующие ПОИСКОВЫЕ СИСТЕМЫ ИНТЕРНЕТА Поисковые системы — это специальные программные продукты, позволяющие осуществлять быстрый и эффективный поиск информации в сети Интернет. Поисковые системы постоянно отслеживают изменения информации в сети. Поиск документов, соответствующих запросу пользователя, производится не непосредственно в сети, а в базе данных поисковой системы, где в компактном виде содержатся данные об информации в Интернете. Поисковые системы постоянно пополняют и обновляют свои базы данных. Существуют два способа добавления и обновления информации в базе данных поисковой системы: в одном случае разработчик веб-страницы сам добавляет ссылку на страницу в поисковую систему, в другом — используется специальная программа, называемая роботом. Роботы запускаются поисковой системой, чтобы проверять актуальность ссылок, имеющихся в базе данных и отслеживать появление новых веб-страниц в Интернете. Способы поиска информации в системах:  поиск по каталогам;  поиск по запросам. Мощные поисковые системы, которые позволяют вести поиск по ключевым словам и с помощью каталогов, называют порталами. К наиболее известным зарубежным поисковым системам Интернета относятся: AltaVista.com (1995 г.) обеспечивает поиск по запросам, как во Всемирной паутине, так и в группах новостей. Yahoo.com (1996 г. — начало разработки) — является самой популярной в США поисковой системой — каталогом. Google.com (1998 г. — начало разработки) — современная поисковая система, отличительной особенностью которой является высокая релевантность выдачи результатов запрос 104 К наиболее известным российским поисковым системам Интернета относятся: Aport.ru (1996 г.) — старейшая русскоязычная поисковая система, предназначенная для быстрого поиска информации в русскоязычной части Интернета. Rambler.ru (1996 г.) — имеет удобную систему поиска и выдачи найденной информации. Производит поиск как во Всемирной паутине, так и в группах новостей, позволяет формировать южные запросы. Yandex.ru (1997 г.) — самая популярная поисковая система, которую используют 45% аудитории российского Интернета. Mail.ru (2001 г.) - почтовый портал. Поисковый сервис в сети Интернет построен на основе поисковой технологии Google. С каждым годом растет популярность портала. В настоящее время им пользуются 10—15% российской аудитории. Примеры вопросов 1. В поисковой машине в строке поиска набрано слово «физика», а после завершения поиска набрана фраза «твердое тело» и установлен флажок в поле «Поиск в найденном». В результате будут выбраны:  только те ресурсы, в которых встречается фраза «твердое тело»;  только те ресурсы, в которых встречается слово «физика»;  из раздела «физика» ресурсы, в которых встречается фраза «твердое тело»;  из раздела «твердое тело» ресурсы, в которых встречается слово «физика»? 2. Одной из поисковых систем в сети Интернет является:  File Search;  The Bat;  Goggle;  Gov.ru? 3. Каков правильный адрес поисковой системы Интернет:  http://www.mail.ru;  http://www.sw.google.com;  http://www.narod.ru;  http://www.ya.ru? 4. Выберите правильный и полный адрес главной страницы информационно-поискового портала «Рамблер»:  http.rambler.ru/;  http://www.rambler.ru/;  http://www.adress@rambler.ru/ ;  www.rambler.ru/? 105 ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В Доктрине информационной безопасности Российской Федерации понятие «информационная безопасность» трактуется в широком смысле. Оно определяется как состояние защищенности национальных интересов в информационной сфере при сбалансированности интересов личности, общества и государства. Под информационной безопасностью принято понимать способность информации сохранять неизменность своих свойств при воздействии случайных или преднамеренных внешних воздействий. К числу свойств, обеспечивающих безопасность информации, относятся: доступность информации — способность обеспечивать своевременный беспрепятственный доступ субъектов к интересующей их информации; целостность информации — способность существовать в неискаженном виде (неизменном по отношению к некоторому фиксированному ее состоянию). Это свойство включает физическую целостность данных, их логическую структуру и содержание; конфиденциальность информации — способность системы (среды) сохранять информацию втайне от субъектов, не имеющих полномочий на доступ к ней. Информационная безопасность автоматизированной системы — это состояние автоматизированной системы, при котором она, с одной стороны, способна противостоять воздействию внешних и внутренних информационных угроз, а с другой — затраты на ее функционирование ниже, чем предполагаемый ущерб от утечки защищаемой информации. Программно-технические методы защиты информации включают: идентификацию и аутентификацию, управление доступом, протоколирование и аудит, экранирование, шифрование, антивирусную защиту. Современные информационные системы требуют использования схемы безопасности с обязательным или принудительным контролем доступа к данным, основанном на «метках безопасности». Каждая метка соответствует конкретному уровню. Использование меток позволяет классифицировать данные по уровням безопасности. Для правительственных информационных систем такая классификация выглядит следующим образом:  совершенно секретно;  секретно;  конфиденциальная информация;  неклассифицированная информация. 106 Разработке необходимых защитных мер для конкретного информационного объекта всегда должен предшествовать анализ возможных угроз: их идентификация, оценка вероятности появления, размер потенциального ущерба. Наиболее распространенными угрозами считаются:  сбои и отказы оборудования;  ошибки эксплуатации;  программные вирусы;  преднамеренные действия нарушителей и злоумышленников (обиженных лиц из числа персонала, преступников, шпионов, хакеров, диверсантов и т.п.);  стихийные бедствия и аварии. Примеры вопросов 1. Три важнейшие цели информационной безопасности - это зашита:  целостности информации;  конфиденциальности информации;  репрезентативности информации;  доступности информации? 2. Информация, составляющая государственную тайну, не может иметь гриф:  «совершенно секретно»;  «секретно»;  «для служебного пользования»;  «особой важности»? 3. Из перечисленного к средствам компьютерной защиты информации относятся:  пароли доступа;  дескрипторы;  шифрование;  хэширование;  установление прав доступа;  запрет печати? 4. Под утечкой информации понимается:  процесс уничтожения информации;  непреднамеренная утрата носителя информации  несанкционированный процесс переноса информации от источника к злоумышленнику;  процесс раскрытия секретной информации? 5. Задача, не поставленная в рамки концепции национальной безопасности, заключается: 107  в приоритетном развитии отечественных современных информационных и телекоммуникационных технологий;  в установлении необходимого баланса между потребностью в свободном обмене информацией и допустимыми ограничениями се распространения;  в совершенствовании информационной структуры общества;  в ускорении развития новых информационных технологий и их широком распространении? 6. Угрозой информационной войны для РФ не является:  открытость границ;  ориентированность на отечественные технические средства;  несовершенство законодательной базы;  значительная протяженность территории? 7. Концепция системы защиты от информационного оружия не должна включать:  механизмы защиты пользователей от различных типов и уровней угроз для национальной информационной инфраструктуры;  процедуры оценки уровня и особенностей атаки против национальной инфраструктуры в целом и отдельных пользователей;  средства нанесения контратаки с помощью информационного оружия;  признаки, сигнализирующие о возможном нападении? ИДЕНТИФИКАЦИЯ И АУТЕНТИФИКАЦИЯ Идентификация позволяет субъекту (пользователю или процессу, действующему от имени пользователя) назвать себя (сообщить свое имя). Посредством аутентификации вторая сторона убеждается, что субъект действительно тот, за кого он себя выдает. В качестве синонима слова «аутентификация» иногда используют словосочетание «проверка подлинности». Если в процессе аутентификации подлинность субъекта установлена, то система защиты определяет для него полномочия доступа к информационным ресурсам. Большинство экспертов по безопасности считают, что обычные статические пароли не являются надежным средством безопасности, даже при соблюдении строгих правил их использования. Наблюдение за действиями пользователя при работе с компьютером может раскрыть пароль. Для решения этой проблемы используются одноразовые пароли, которые выдаются специальными устройствами (токенами). Подделка пароля и неавторизованный вход в систему становятся крайне трудновыполнимыми задачами. 108 Токены способны осуществлять проверку пин-кода и подтверждение введенных данных самостоятельно, не требуя физического подключения к компьютеру и не имея в момент фактического проведения авторизации логического соединения с защищаемой системой. Пример вопроса Токены — это:  устройство биометрического контроля;  интеллектуальные агенты;  символ проверки подлинности;  предметы и устройства, владение которыми подтверждает подлинность пользователя? УПРАВЛЕНИЕ ДОСТУПОМ Программные средства управления доступом позволяют специфицировать и контролировать действия, которые пользователи или процессы в соответствии с полномочиями, назначенными им системой защиты, могут выполнять над информацией и другими ресурсами системы. Это основной механизм обеспечения целостности и конфиденциальности объектов в многопользовательских информационных системах. Имеется несколько уровней доступа к информационному объекту:  редактирование (удаление, добавление, изменение);  просмотр (чтение);  запрет доступа. Пример вопроса Полный запрет доступа, только чтение, разрешение всех операций (просмотр, ввод новых, удаление, изменение) — это:  способы идентификации файлов базы данных;  методы контроля и верификации данных в полях базы данных  уровни разграничения прав доступа к данным в полях базы данных;  управление обработкой информации в базе данных? ПРОТОКОЛИРОВАНИЕ И СЕТЕВОЙ АУДИТ Протоколирование - это сбор и накопление информации о событиях, происходящих в информационной системе в процессе ее функционирования. Аудит — это анализ накопленной информации, проводимый оперативно или периодически (например, один раз в день). Реализация протоколирования и аудита в системах защиты преследует следующие основные цели:  обеспечение подотчетности пользователей и администраторов; 109  обеспечение возможности реконструкции последовательности событий;  обнаружение попыток нарушения информационной безопасности;  предоставление информации для выявления анализа проблем. Принцип работы систем обнаружения нарушения информационной безопасности заключается в том, что отслеживаются аномалии сетевого трафика. Отклонения в большинстве случаев являются признаком сетевой атаки. Например, нетипичная длина сетевого пакета, неполная процедура установления соединения - все эти критерии фиксируются системами обнаружения атак (СОВ). У данного способа обнаружения атак был и остается один существенный недостаток — он имеет дело с уже свершившимися событиями, т.е. с уже реализованными атаками. Знания о совершенных несанкционированных действиях позволяют предотвратить повторение этих действий. Примеры вопросов 1. Протоколирование действий пользователей дает возможность:  решать вопросы управления доступом;  восстанавливать утерянную информацию;  обеспечивать конфиденциальность информации;  реконструировать ход событий при реализации угрозы безопасности информации? 2. Сетевой аудит включает:  выборочный анализ действий пользователей в сети;  протоколирование действий всех пользователей в сети;  анализ всех действий пользователей в сети;  анализ безопасности каждой новой системы (как программной, так и аппаратной) при ее инсталляции в сеть? ЭКРАНИРОВАНИЕ Экран контролирует информационные потоки между узлами сети. Контроль потоков состоит в их фильтрации с выполнением некоторых преобразований. Фильтрация информационных потоков осуществляется межсетевыми экранами на основе набора правил, определяемых политикой безопасности организации. Межсетевые экраны производят логический анализ получаемой информации. При этом учитываются содержание информации, порт, через который поступил сетевой запрос, и т.д. Примеры вопросов 1. Какое средство наиболее эффективно для защиты от сетевых атак: 110  использование сетевых экранов, или Firewall;  посещение только «надежных» интернет-узлов;  использование антивирусных программ;  использование только сертифицированных программ-браузеров при доступе к сети Интернет? 2. Принципиальное отличие межсетевых экранов (МЭ) от систем обнаружения атак (СОВ) заключается в том, что:  принципиальных отличий МЭ от СОВ нет;  МЭ работают только на сетевом уровне, а СОВ — еще и на физическом;  МЭ были разработаны для активной или пассивной защиты, а СОВ — для активного или пассивного обнаружения;  МЭ были разработаны для активного или пассивного Обнаружения, а СОВ - для активной или пассивной защиты? ШИФРОВАНИЕ Различают два основных метода шифрования: симметричный и асимметричный. В первом из них один и тот же ключ (хранящийся в секрете) используется и для шифрования, и для расшифровки данных. Во втором используются два ключа. Один из них, несекретный (он может публиковаться вместе с адресом пользователя), используется для шифрования сообщения, другой, секретный (известный только получателю) — для расшифровки. Криптография необходима для реализации трех сервисов безопасности: шифрования; контроля целостности и аутентификации. Пример вопроса Криптографическое преобразование информации — это:  ограничение доступа;  резервное копирование;  использование системы паролей;  шифрование? ЭЛЕКТРОННАЯ ПОДПИСЬ Электронная цифровая подпись (ЭЦП) - реквизит электронного документа, предназначенный для зашиты данного электронного документа от подделки, полученный в результате криптографического преобразования информации с использованием закрытого ключа электронной цифровой подписи и позволяющий идентифицировать владельца сертификата ключа подписи, а также установить отсутствие искажения информации в электронном документе. 111 Алгоритм шифрования подписи должен определять секретный ключ пользователя, известный только владельцу ключа. Алгоритм проверки правильности подписи должен определять открытый ключ пользователя, известный абонентам-получателям. При таком подходе воспользоваться подписью может только владелец ключа, а проверить ее подлинность — любой абонент, которому передан открытый ключ, путем дешифрования сообщения этим ключом. Пример вопроса 1. Электронно-цифровая подпись позволяет:  удостовериться в истинности отправителя и целостности сообщения;  восстанавливать поврежденные сообщения;  пересылать сообщение по секретному каналу:  зашифровать сообщение для сохранения его секретности АНТИВИРУСНАЯ ЗАЩИТА Классификация вирусов. Компьютерный вирус — это программа, способная к самостоятельному размножению и функционированию, и имеющая защитные механизмы от обнаружения и уничтожения. В настоящее время известно более 5000 программных вирусов, которые можно классифицировать по различным признакам. В зависимости от среды обитания вирусы подразделяются на сетевые, файловые и загрузочные. Сетевые вирусы распространяются по различным компьютерным сетям. Файловые вирусы инфицируют главным образом исполняемые файлы с расширениями СОМ и ЕХЕ. Загрузочные вирусы внедряются в загрузочный сектор диска (Bootсектор) или в сектор, содержащий программу загрузки системного диска. По способу заражения вирусы делятся на резидентные и нерезидентные. Резидентные вирусы при заражении компьютера помещаются в оперативную память. Они перехватывают обращения операционной системы к объектам заражения (файлам, загрузочным секторам дисков и т.п.) и внедряются в них. Нерезидентные вирусы не заражают память компьютера и являются активными ограниченное время. По особенностям алгоритма вирусы трудно классифицировать из-за большого разнообразия, можно лишь выделить основные типы:  простейшие вирусы (вирусы-паразиты) изменяют содержимое файлов и секторов диска и могут быть достаточно легко обнаружены и уничтожены; 112  вирусы-репликаторы (черви) распространяются по компьютерным сетям, вычисляют адреса сетевых компьютеров и записывают по этим адресам свои копии. Вирусы-черви не изменяют содержимое файлов, однако они очень опасны, так как уменьшают пропускную способность сети и замедляют работу серверов;  вирусы-невидимки (стеле-вирусы) очень трудно обнаруживаются и обезвреживаются, так как они перехватывают обращения операционной системы к пораженным файлам и секторам дисков и подставляют вместо своего тела незараженные участки диска;  вирусы-мутанты содержат алгоритмы шифровки-расшифровки, благодаря которым копии одного и того же вируса не имеют ни одной повторяющейся цепочки байтов;  квазивирусные, или «троянские», программы не способны к самораспространению, но очень опасны, так как, маскируясь под полезную программу, разрушают загрузочный сектор и файловую систему дисков или собирают на компьютере информацию, не подлежащую разглашению. Основными путями проникновения вирусов в компьютер являются съемные диски (гибкие и лазерные), а также компьютерные сети. Заражение жесткого диска вирусами может произойти при загрузке программы с носителя информации, содержащего вирус. Основные признаки появления вирусов:  медленная работа компьютера, частые зависания и сбои;  исчезновение файлов и каталогов или искажение их содержимого;  изменение размера, даты и времени модификации файлов;  значительное увеличение количества файлов на диске;  уменьшение размера свободной оперативной памяти;  вывод на экран непредусмотренных сообщений или звуковых сигналов. Примеры вопросов 1. Вирусы распространяются:  при чтении файла;  при выполнении исполняемого файла;  при создании файла;  при копировании файла? 2. Основным путем заражения вирусами по сети является:  HTML-документ;  SMS;  почтовое сообщение;  сообщения с Интернет-пейджера? 3. Вирусы по способу заражения среды обитания подразделяются:  на растровые — векторные; 113  на резидентные — нерезидентные  на физические — логические;  на цифровые — аналоговые? 4. Файловые вирусы поражают:  аппаратную часть компьютера;  оперативную память;  системные области компьютера;  программы на внешних носителях памяти? 5. Сетевые черви — это:  программы, которые изменяют файлы на дисках и распространяются в пределах компьютера;  программы, распространяющиеся только при помощи электронной почты через Интернет;  программы, которые не изменяют файлы на дисках, а распространяются в компьютерной сети, проникают в операционную систему компьютера, находят адреса других компьютеров или пользователей и рассылают по этим адресам свои копии;  вредоносные программы, действия которых заключается в создании сбоев при питании компьютера от электросети? 6. Троянской программой является:  программа, проникающая на компьютер пользователя через Интернет;  вредоносная программа, которая сама не размножается, а выдает себя за что-то полезное, тем самым пытаясь побудить пользователя переписать и установить на свой компьютер программу самостоятельно;  программа, вредоносное действие которой выражается в удалении или модификации системных файлов компьютера;  программа, заражающая компьютер независимо от действий пользователя? 7. Заражение компьютерным вирусом не может проявляться как:  вибрация монитора;  изменение даты и времени модификации файлов;  замедление работы компьютера;  появление на экране непредусмотренных сообщений? Классификация антивирусных программ. Антивирусные программы подразделяются на несколько видов: детекторы, доктора (фаги), ревизоры, доктора-ревизоры, фильтры и вакцины (иммунизаторы). Программы- детекторы позволяют обнаруживать файлы, зараженные одним из известных вирусов. Эти программы проверяют файлы на указанном пользователем логическом диске на наличие в них специфической для данного вируса комбинации байтов. При ее обнаружении в каком-либо файле 114 на экран выводится соответствующее сообщение. Большинство программдетекторов имеют режимы лечения или уничтожения зараженных файлов. Программы-детекторы, как правило, не способны обнаруживать в памяти компьютера «невидимые» вирусы. Программы-ревизоры запоминают сведения о состоянии системы (до заражения), после чего на всех последующих этапах работы программаревизор сравнивает характеристики программ и системных областей дисков с исходным состоянием и сообщает пользователю о выявленных несоответствиях. Как правило, сравнение состояний производится сразу после загрузки операционной системы. При сравнении проверяются длина файла, контрольная сумма файла, дата и время последней модификации. Многие программы-ревизоры могут отличать изменения в файлах, сделанные пользователем, от изменений, вносимых вирусом, так как вирусы обычно производят одинаковые изменения в разных программных файлах. Программы-доктора, или фаги — программы, которые не только обнаруживают зараженные файлы и системные области дисков, но и «лечат» их в случае заражения. Вначале своей работы фаги ищут вирусы в оперативной памяти, уничтожают их, после чего переходят к «лечению» файлов. Среди фагов можно выделить полифаги, т.е. программы-доктора, предназначенные для поиска и уничтожения большого количества вирусов. Программы-фильтры, или «сторожа» располагаются в оперативной памяти компьютера и перехватывают обращения к операционной системе, которые могут использоваться вирусами для размножения и нанесения вреда программной среде:  попытки коррекции загрузочных файлов;  изменение атрибутов файлов;  прямая запись на диск по абсолютному адресу;  запись в загрузочные сектора диска;  загрузка резидентной программы. При попытке какой-либо программы произвести указанные действия, «сторож» сообщает об этом пользователю и предлагает разрешить или запретить выполнение соответствующей операции. Программы-фильтры позволяют обнаружить вирус в программной среде на самых ранних этапах его существования, еще до размножения. Программы-вакцины (или иммунизаторы) — резидентные программы, предотвращающие заражение файлов. Вакцины модифицируют программные файлы и диски таким образом, что это не отражается на их работе, но тот вирус, от которого производится вакцинация, считает эти программы или диски уже зараженными и поэтому в них не внедряется. Примеры вопросов 1. Различают антивирусные программы:  репликаторы;  ревизоры; 115  детекторы или фаги;  фильтры? 2. Программы-ревизоры в процессе своей работы проверяют:  длину файла;  версию программы;  дату и время последней модификации;  контрольные суммы файлов? 3. Программы-ревизоры:  относятся к самым надежным средствам защиты от вирусов;  обнаруженные изменения в системе постоянно выводят на экран;  осуществляют сравнение состояний системы при выходе из нее;  постоянно сравнивают текущее состояние системы с исходным? 4. Программы-фильтры предназначены для обнаружения таких подозрительных действий как:  попытки изменения атрибутов файлов;  попытки копирования файлов;  попытки загрузки резидентной программы;  попытки коррекции файлов с расширениями СОМ и ЕХЕ? 5. Программы вакцины:  уничтожают вирусы:  модифицируют программные файлы таким образом, чтобы они воспринимались как зараженные, но это не отражалось на их работе;  выявляют зараженные файлы;  используются только для известных вирусов Антивирусные программы. Наиболее популярными в России антивирусными программами являются ADinf, Dr Web, Aidtest, Norton Antivirus, Symantec Antivirus. Антивирус Касперского (AVP). Norton Antivirus — одна из самых известных в мире антивирусных программ — производится американской компанией Symantec. Программа неоднократно занимала призовые места в крупнейших международных антивирусных тестах. Для корпоративных сетей компанией выпускается специальная версия Symantec Antivirus. К числу программ-ревизоров файловых систем относится широко распространенная в России программа Adinf фирмы «Диалог-Наука». Aidstest— антивирусная программа — сканер (полифаг). Автор Д.М. Лодзинский. Версии Aidstest регулярно обновляются и пополняются информацией о новых вирусах. Программа-полифаг Doctor Web (Россия) предназначена, прежде всего, для борьбы с полиморфными вирусами, вирусами-мутантами. 116 Программа может определять файлы, зараженные новыми, неизвестными вирусами, проникая в зашифрованные и упакованные файлы. Это достигается благодаря наличию достаточно мощного эвристического анализатора. Одним из наиболее распространенных антивирусных средств является система AVP (AntiViral Toolkit Pro), созданная в России «Лабораторией Касперского». Система имеет одну из самых больших вирусных баз данных. Постоянное пополнение этой базы позволяет системе обнаруживать практически все полиморфные вирусы, предоставляет пользователю защиту от троянских и шпионских программ. К основным недостаткам антивирусных средств следует отнести необходимость постоянного обновления вирусных баз. Примеры вопросов 1. Антивирусные программы — это:  Doctor Web;  ADinf;  Aidstest;  RAR;  Microsoft Antivirus;  Антивирус Касперского;  Norton Antivirus;  Symantec Antivirus? 2. Работа с программой Doctor Web может осуществляться в режимах:  полноэкранного интерфейса с использованием диалоговых окон;  полноэкранного интерфейса с использованием меню;  управления через командную строку;  с помощью специальной программы? 3. Антивирус-ревизор диска Adinf запоминает:  дату и время создания файлов;  длину и контрольные суммы файлов;  время загрузки операционной системы;  информацию о загрузочных секторах? 4. Основным средством антивирусной защиты является:  периодическая проверка списка загруженных программ;  периодическая проверка списка автоматически загружаемых программ;  периодическая проверка компьютера с помощью антивирусного программного обеспечения;  использование сетевых экранов при работе в сети Интернет? 117 5. Режим постоянной защиты (монитор, резидентный) в антивирусных программах используется:  для лечения компьютера при его заражении компьютерными вирусами;  для периодической проверки всех файлов компьютера;  для проверки всех файлов компьютера сразу после включения;  для проверки всех файлов, поступающих на компьютер? 6. Режим сканирования в антивирусных программах используется:  для блокирования возможности проникновения вирусов из Интернета;  для периодической проверки файлов компьютера;  для проверки всех открываемых файлов;  для проверки всех файлов, поступающих на компьютер? 7. Основными путями проникновения вирусов в компьютер являются:  неправильная работа программ;  исполняемые файлы и используемые технологии;  съемные диски и компьютерные сети;  неправильная работа ОС? 118 УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Автор, наименование 1 Теоретические основы информатики: учебное пособие / А. Забуга. – Издательство Питер. – 208 с. ISBN 978-5496-00744-3 Информатика. Базовый курс: учебное пособие / С. Симонович. – Издательство Питер. – 640 с. ISBN 978-5459-00439-7 2014 2014 4 Экономическая информатика: учебное пособие / Д. Чистов. – Издательство Кнорус. ISBN 978-5-406-03743-0 Информатика: учебное пособие / О. П. Новожилов. – М.: Издательство Юрайт, – 564 с. – Серия: Основы наук. ISBN 978-5-9916-0972-2. 5 Информатика (для технических направлений) Иопа Н. И. Кнорус, 2012 г ISBN: 978-5-406-00688-7 472 2012 6 Информационные технологии: учебное пособие / Г. Исаев. ISBN: 978-5-370-02399-6 2013 2 3 Год издания № п\п 119 2013 2011