Информатика. Информация.Компьютеры
Выбери формат для чтения
Загружаем конспект в формате doc
Это займет всего пару минут! А пока ты можешь прочитать работу в формате Word 👇
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
По дисциплине «ИНФОРМАТИКА»
Оглавление
Введение 2
Глава 1. ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ 3
1.1. Человек в информационном обществе 3
1.2. Информация и управление 7
Глава 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ 9
2.1. Язык как способ представления информации 9
2.2. Кодирование информации 11
2.3. Количество и единицы измерения информации 12
2.4. Математические основы кодирования информации 14
2.4.1. Системы счисления 14
2.4.2. Двоичная арифметика 15
2.5. Представление информации в компьютере 15
2.5.1. Представление текстовой информации в компьютере 15
2.5.2. Представление графической информации в компьютере 17
2.5.3. Представление звуковой информации в компьютере 19
2.5.4. Представление числовой информации в компьютере 20
2.6. Алгебра логики 22
2.7. Логические основы ЭВМ 24
Глава 3. КОМПЬЮТЕР 25
3.1. Аппаратное обеспечение персонального компьютера 25
3.1.1. Системный блок 25
3.1.2. Периферийные устройства 26
3.1.3. Память ПК 31
3.1.4. Магистрально-модульный принцип построения компьютера 36
3.2. Программное обеспечение ПК 37
3.3. Файловая система ПК 41
3.4. Операционная система WINDOWS 42
3.5. Антивирусные программы и зашита информации 43
Введение
Информатика как наука стала развиваться с середины XX столетия, что связано с появлением ЭВМ и начавшейся компьютерной революцией. Всю историю информатики принято разбивать на два больших этапа: предыстория и история.
Предыстория информатики такая же древняя, как и история развития человеческого общества. В предыстории выделяют ряд этапов, каждый из которых характеризуется по сравнению с предыдущим резким возрастанием возможностей хранения, передачи и обработки информации.
Начальный этап предыстории — освоение человеком развитой устной речи. Членораздельная речь, язык стал специфическим социальным средством хранения и передачи информации.
Второй этап — возникновение письменности. Прежде всего резко возросли возможности по хранению информации, человек получил искусственную внешнюю память. Организация почтовых служб позволила использовать письменность и как средство для передачи информации. Кроме того, все народы, обладавшие письменностью, владели понятием числа и пользовались той или иной системой счисления.
Третий этап — книгопечатание. Книгопечатание можно смело назвать первой информационной технологией: воспроизведение информации было поставлено на поток, на промышленную основу. Этот этап не столько увеличил возможности по хранению, сколько повысил доступность информации и точность ее воспроизведения.
Четвертый и последний этап предыстории связан с успехами точных наук и начинающейся научно-технической революцией. Этот этап характеризуется возникновением таких мощных средств связи, как радио, телефон и телеграф, к которым по завершению этапа добавилось и телевидение. Кроме средств связи появились новые возможности по получению и хранению информации — фотография и кино. Начало истории информатики принято связывать с разработкой первых ЭВМ. Поначалу информатика понималась как наука о вычислениях (первые ЭВМ большей частью использовались для проведения числовых расчетов). На сегодняшний день информатика представляет собой комплексную научно-техническую дисциплину, объединяющую довольно обширный комплекс наук (теория информации, кибернетика, программирование, математическая лингвистика, теория алгоритмов и мн. др.), каждая из которых занимается изучением одного из аспектов понятия информация.
Глава 1. ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
1.1. Человек в информационном обществе
Понятие информации. Под информацией понимаются сведения или команды, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. Сведения могут накапливаться и упорядочиваться — тогда они преобразуются в знания. Команды могут распознаваться и исполняться — они используются в управлении. Приобретение знаний и управление — это две цели, ради которых люди используют (потребляют) информацию, создают ее и организуют информационный обмен.
Люди получают информацию из данных.
Данные — это зарегистрированные сигналы, принятые органами чувств человека или используемыми приборами.
Данные имеют материальную природу — их можно создать или уничтожить, размножить и переместить. Данные можно сравнивать между собой по содержанию, они всегда связаны со своим носителем. Вместе с тем они могут храниться, транспортироваться и воспроизводиться. При воспроизведении данных образуется информация.
Какая именно информация содержится в данных, зависит не только от их содержания, но и от информационного метода, используемого для воспроизведения этой информации. Информационные методы могут быть естественными (врожденные или приобретенные) и искусственными. Например, зрение — это естественный информационный метод, основанный на одноименном чувстве восприятия; знание языка и азбуки — приобретенный информационный метод, основанный на мышлении.
Таким образом, информация — это результат взаимодействия данных и информационных методов, рассматриваемый в контексте этого взаимодействия.Информация — это динамический объект, она существует ровно столько, сколько длится само взаимодействие. Сразу по его окончании информация либо утрачивается, либо сохраняется в форме данных. Так, просматривая телепередачу, мы получаем информацию. Но по окончании просмотра мы имеем не информацию, а запомненные данные. Говоря о хранении информации, ее транспортировке и обработке, мы допускаем некоторую условность, поскольку технические системы могут сохранять, передавать, обрабатывать и воспроизводить лишь данные, представляющие записанную информацию.
Человек может быть носителем некоторых видов информации, потому что одновременно является и носителем данных, и носителем информационных методов. Объекты живой природы (например, животные) тоже могут быть носителями некоторых видов информации, например генетической. Объекты неживой природы (физические тела и энергетические поля) могут быть только носителями данных.
Виды и свойства информации. В соответствии с тем, каким образом осуществляется воспроизводство информации, выделяют три ее типа — генетическая, поведенческая и логическая — и, соответственно, три типа ее носителей — молекулы нуклеиновых кислот, нервные клетки и коммуникативный язык.
Рассматривая информацию с точки зрения информационной деятельности человека, говорят о видах информации: символьном (знаковом) и образном.
Символьная (знаковая) информация представлена последовательностью знаков, символов, чаще воспринимается человеком в речевой или письменной форме. С символьной информацией человек имеет дело, просматривая газеты, слушая речь, читая пальцами с помощью специальной азбуки Брайля.
Образная информация — это сохраненные в памяти ощущения человека от контакта с источником (вкусы, запахи, осязательные ощущения, зрительные и звуковые образы). К этому виду относятся, например, шум ветра, пение птиц, картины природы, живопись.
Для человека и общества важны те свойства информации, которые позволяют наиболее эффективно использовать ее для целей получения знаний и задач управления. Самыми важными с этой точки зрения свойствами являются следующие:
— объективность — это соответствие объективной реальности. Объективность информации редко бывает абсолютной, так как информационные методы, как правило, субъективны;
— полнота — определяется количеством информации, собранной об объекте или явлении. Тесно связана с объективностью. Полнота информации очень важна для управления. Например, полнота информации, полученной от избирателей, является залогом того, что органы управления будут сформированы объективно, их деятельность на благо общества будет эффективной;
— достоверность — это характеристика ее неискаженности. Ис-каженность может быть преднамеренной (ложная информация) и непреднамеренной (естественной). Искажения, прежде всего, связаны с несовершенством используемых информационных методов. Нельзя абсолютно достоверно измерить массу тела, его размеры, скорость;
— адекватность — отражает соответствие информационного объекта целям и задачам его использования;
— актуальность — выражает степень ее соответствия текущему моменту времени. Информация может устареть, это особенно важно учитывать при управлении;
— доступность — это доступность данных и информационных методов для их воспроизведения. Доступностью информации можно управлять, как повышая, так и понижая ее. Например, шифрование данных позволяет ограничить доступ к ним для тех, кто не владеет необходимым методом дешифрования.
Изменение состояния объектов в живой природе, обществе и технике является результатом процессов (физических, биологических, общественных и др.).
Процессы, сопровождающиеся получением, обработкой и передачей информации, называются информационными процессами.
Процессы бывают управляемыми (саморегулируемыми) и неуправляемыми. Многие природные процессы неуправляемы, например, астрофизические. К управляемым относится большинство биологических, общественных и технических процессов.
Получение информации — это прежде всего реализация способности к отражению различных свойств объектов, явлений и процессов в окружающем мире. Все живые существа, даже самые простейшие, воспринимают информацию об окружающей их среде и реаги-руют на нее. У высших животных и человека для получения информации об окружающей среде имеются органы чувств, через которые воспринимается информация определенного вида.
Для извлечения информации, недоступной человеку в непосредственных ощущениях, используются специальные приборы: электронный микроскоп, телескоп, термометры, приборы инфракрасного видения и др.
Человек и другие живые организмы имеют способность получать информацию друг от друга, а также из тех или иных источников информации. Например, читая текст или слушая речь, человек тоже получает информацию. Такое получение информации происходит в результате другого информационного процесса — процесса передачи информации.
Передача информации всегда осуществляется по некоторому каналу связи от источника информации к ее приемнику (рис. 1.1).
Долгое время в истории человечества каналы передачи информации были основаны на механическом движении: почтовые кареты, почтовые вагоны поездов, авиапочта.
Для передачи информации всегда использовались и физические процессы, способные распространяться в природе — колебательные процессы среды. Звук (колебания воздуха), свет (электромагнитные колебания), радиоволны давно поставлены человеком на информационную службу.
Не следует путать канал связи и линию связи. Линия связи — физический объект, канал связи — информационный объект. Например, при диалоге двух людей линией связи является воздушная среда — происходящие колебания воздуха, а канал связи подразумевает и некоторые логические соглашения, например, говорить только по очереди. Если логическое соглашение будет нарушено, канал связи разрушится, хотя линия связи останется.
Обработка информации — это, прежде всего, получение новой информации из уже имеющейся, например, решение математической задачи, перевод текста с одного языка на другой и т. д. Таким образом, под обработкой информации следует понимать любое преобразование ее содержания или формы представления.
Информационное общество. Человеческое общество по мере своего развития прошло этапы овладения веществом, затем энергией и, наконец, информацией. В первобытно-общинном, рабовладельческом и феодальном обществах деятельность была направлена, в первую очередь, на овладение веществом.
Начиная примерно с XVII века, в процессе становления машинного производства, на первый план выходит проблема овладения энергией. Сначала совершенствовались способы овладения энергией ветра и воды, затем человечество овладело тепловой энергией (в середине XVIII века была изобретена паровая машина, а в конце XIX века — двигатель внутреннего сгорания). В конце XIX века началось овладение электрической энергией, были изобретены электрогенератор и электродвигатель. И, наконец, в середине XX века человечество овладело атомной энергией, в 1954 году в СССР была пущена в эксплуатацию первая атомная электростанция.
Овладение энергией позволило осуществить переход к индустриальному обществу. Основными показателями развитости индустриального общества являлись количественные показатели, т.е. сколько было добыто угля и нефти, произведено станков и т.д.
В настоящее время человечество находится в процессе перехода от постиндустриального общества к информационному, причем процесс этот происходит не одновременно в различных странах. Первыми на этот путь встали в конце 50 — начале 60-х гг. XX в. США, Япония и страны Западной Европы. Эти страны фактически уже вступили в информационное общество, другие же, в том числе и Россия, находятся на ближних подступах к нему.
В информационном обществе важно не только произвести большое количество продукции, но произвести нужную продукцию в определенное время, с определенными затратами и т.д. Поэтому в информационном обществе повышается не только качество потребления, но и качество производства: человек, использующий информационные технологии, имеет лучшие условия труда, труд становится творческим, интеллектуальным и т.д.Информационное общество — это общество, в котором большая часть населения занята получением, переработкой, передачей и хранением информации.
Информационное общество имеет следующие основные признаки:
— большинство работающих (около 80 %) занято в информационной сфере, т.е. сфере производства информации и информационных услуг;
— обеспечены техническая, технологическая и правовая возможности доступа любому члену общества практически в любой точке территории и в приемлемое время к нужной ему информации (за исключением военных и государственных секретов, точно оговоренных в соответствующих законодательных актах);
— информация становится важнейшим стратегическим ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре.
Процесс, обеспечивающий переход к информационному обществу, получил название информатизации.
Информатизация — это процесс создания, развития и всеобщего применения информационных средств и технологий, обеспечивающих достижение и поддержание уровня информированности всех членов общества, необходимого и достаточного для кардинального улучшения качества труда и условий жизни в обществе.
В эпоху глобальной информатизации общества каждый его член должен обладать информационной культурой, т.е. знаниями и умениями в области информационных и коммуникационных технологий (владение офисными информационными технологиями; умение работать с мультимедийными документами, создавать компьютерные презентации; представление о назначении и возможностях компьютерных систем автоматизированного проектирования; умение использовать электронные таблицы, средства программирования; умение использовать базы данных; умение создавать и посылать электронные письма, находить информацию в Интернете и т.д.), а также быть знакомым с юридическими и этическими нормами в этой сфере.
Если предшествующие этапы развития человечества длились каждый около трех веков, то ученые прогнозируют, что информационный этап продлится значительно меньше, около ста лет. Это означает, что основные регионы мира войдут в развитое информационное общество в XXI в., и тогда же начнется переход к постинформационному обществу.
1.2. Информация и управление
Информационные процессы преследуют две задачи: накопление знаний и разрешение вопросов, связанных с управлением. Причем чаще всего информация передается, потребляется и обрабатывается именно для целей управления.
Термин управление подразумевает как управление поведением, так и управление состоянием. Под управлением поведением обычно понимается целенаправленное изменение действия объекта управления. Под управлением состоянием понимается целенаправленное изменение свойств объекта управления.
Например, человек не может управлять погодой, но он может управлять своими действиями или своим состоянием (в этом случае объектом управления является он сам). Если идет дождь, он может отложить прогулку в парке — управление поведением, с другой стороны, он может взять зонт и не откладывать прогулку — управление состоянием.
Выделяют открытую и замкнутую системы управления.
Открытая система управления является простейшей, ее модель содержит две информационные связи, одна из которых является управляющей (рис. 1.2).
В открытой модели управления сразу две информационных связи замкнулись на одном объекте — операторе. С одной стороны, он является приемником в той информационной связи, которая поставляет информацию. С другой стороны, он является оператором управляющей информационной связи. Такая система названа открытой, потому что в ней источник информации и объект управления никак не связаны друг с другом. Оператор получает информацию от одного объекта, а управляет другим.
Таким образом, открытая модель управления содержит три объекта: источник информации, управляющий объект (оператор), и управляемый объект, содержащий органы управления, а также два информационных канала: канал связи с источником информации и канал управления. Воздействуя на орган управления, оператор влияет на управляемый объект. Такое воздействие осуществляется в форме команд. Полученные команды изменяют состояние или поведение управляемого объекта.
Допустим, водитель автомобиля должен пересечь регулируемый перекресток. В этом случае в качестве источника информации выступает светофор. Водитель, с одной стороны, является приемником информации, а с другой стороны — оператором, отдающим команды своему автомобилю (объекту управления). В качестве основных органов управления используются руль, педали, рычаги и другие элементы управления автомобилем.
Для открытой модели управления различают три способа управления:
— командное — оператор выдает отдельные команды, которые объект управления получает, распознает и исполняет. Например, при наборе текста на клавиатуре компьютера каждое нажатие клавиши рассматривается как команда;
— пакетное — органу управления передается заранее сформированная последовательность команд (пакет команд). Далее команды анализируются и выполняются по очереди. Сегодня такой способ управления применяют в бытовых приборах, например в микроволновых печах и стиральных машинах. Каждая «программа» для этих приборов на деле представляет собой пакет команд. Оператор выбирает нужную программу и отправляет ее на исполнение;
— диалоговое — управляемый объект сам обращается к оператору с запросами, давая возможность выбирать команды воздействия. Удобство работы с персональным компьютером достигается как раз благодаря диалоговым методам управления.
Замкнутая система управления характеризуется тем, что в ней происходит управление тем же самым объектом, от которого осуществляется получение информации (рис. 1.3).
В замкнутой системе управления три объекта и три информационных связи. Дополнительная связь, образующаяся между объектом управления и источником информации, называется обратной связью. Направление ее действия противоположно направлению действия основной информационной связи, с помощью которой потребитель получает сведения о состоянии источника. Наличие обратной связи позволяет достичь цели управления даже при появлении неожиданных помех, влияющих на состояние источника информации.
Для замкнутой модели управления реализуется способ управления, называемый адаптивным, при котором оператор гибко настраивает (адаптирует) свои команды, учитывая информацию, поступающую от объекта управления. Например, удерживая равновесие на велосипеде, управляя автомобилем, человек выполняет адаптивное управление. Если разорвать обратную связь (например, закрыть глаза), то управление будет нарушено.
В 1948 г. американский математик Норберт Винер опубликовал книгу, в которой сформулировал принципы использования компьютеров для управления. В этой книге был введен термин кибернетика — наука об автоматическом управлении. Сегодня кибернетика, в том смысле, какой в нее вкладывал Н.Винер, рассматривается как часть информатики.
Глава 2. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ
2.1. Язык как способ представления информации
Основа прогресса человечества — возможность передавать знания от одного человека другому. Большая часть передаваемых знаний представляет собой символьную (знаковую) информацию. Для представления символьной информации используется система символов (знаков) и обозначений, а также совокупность правил, определяющих способы составления из этих символов осмысленных сообщений — язык.
Язык — это определенная система символьного (знакового) представления информации.
Языки делятся на две группы: естественные и формальные.
Естественные языки — это исторически сложившиеся языки национальной речи (русский, испанский, китайский и т.д.). Для большинства современных языков характерно наличие устной и письменной речи. В информатике анализом естественных языков занимаются специалисты в области искусственного интеллекта. Одна из их целей — научить компьютер понимать естественные языки.
Формальные языки — это искусственно созданные языки для профессионального применения. Они, как правило, носят международный характер и имеют письменную форму. Примерами таких языков являются язык математики, язык химических формул, язык музыки (нотная грамота) и др.
Для формальных языков характерна принадлежность к ограниченной предметной области (математика, химия, музыка, информатика и пр.). Назначение формального языка — адекватное описание системы понятий и отношений, свойственных для данной предметной области. Язык может развиваться, изменяться, дополняться вместе с развитием своей предметной области.
Известны примеры языков, находящихся в промежуточном состоянии между естественными и формальными. Язык эсперанто был создан искусственно для общения людей разных национальностей — должен был стать естественным. А латынь, на которой в древности говорили жители Римской империи, в наше время стала формальным языком медицины и фармакологии, утратив функцию разговорного языка.
С любым языком связаны следующие понятия: алфавит — множество используемых символов; синтаксис — правила записи языковых конструкций (текста на языке); семантика — смысловая сторона языковых конструкций; прагматика — практические последствия применения текста на данном языке.
Формальные языки информатики. К ним относятся: языки, используемые при работе ЭВМ; языки представления чисел (системы счисления); язык логики; алгоритмический язык и многие другие.
Языки, используемые при работе ЭВМ, разделяются на внешние языки представления информации в компьютере (ориентированы на человека, определяют вид информации на устройствах вывода: на экране монитора, при распечатке) и внутренние языки представления информации в компьютере (представление на носителях информации в компьютере: в памяти, в линиях передачи информации).
Всю информацию, циркулирующую в компьютере, можно разделить на два вида: обрабатываемая информация (данные) и информация, управляющая работой компьютера (команды, программы, операторы — действия над данными).
Для представления в ЭВМ обрабатываемой информации (данных) используются следующие языки представления данных: внешние (естественные языки, традиционная математическая символика и др.); внутренние (языки двоичных кодов — последовательности двоичных цифр 0 и 1). Причем для разных типов данных различаются правила синтаксиса и семантики языка двоичных кодов. Одна и та же последовательность двоичных цифр для разных типов данных имеет совсем разный смысл. Например, двоичный код 0100000100101011 на языке представления целых чисел обозначает число 16683, а на языке представления символьных данных обозначает два символа «А+».
Для представления в ЭВМ информации, управляющей работой компьютера (действий надданными) используются следующие языки представления действий над данными: внешние (языки программирования высокого уровня, входные языки пакетов прикладных программ, командные языки операционных систем и др.); внутренние (командный язык процессора ЭВМ).
Следует иметь в виду, что приведенная классификация носит условный характер. Так, например, любой язык программирования высокого уровня включает в себя как средства представления данных (раздел данных), так и средства представления действий над данными (раздел операторов).
2.2. Кодирование информации
Под кодированием информации понимают процесс ее представления в виде последовательности условных обозначений. В более узком смысле под кодированием понимается переход от исходного представления информации, удобного для восприятия человеком, к представлению, удобному для хранения, передачи и обработки. Обратный переход к исходному представлению называется декодированием.
При кодировании информации ставятся следующие цели:
— удобство физической реализации;
— удобство восприятия;
— высокая скорость передачи и обработки;
— экономичность, т.е. уменьшение избыточности сообщения;
— надежность, т.е. защита от случайных искажений;
— сохранность, т.е. защита от нежелательного доступа к информации. Эти цели часто противоречат друг другу. Стремясь к экономным сообщениям, можно уменьшить их надежность и удобство восприятия, а защита информации от нежелательного доступа уменьшает объем хранимой информации и замедляет работу с ней.
На разных этапах обработки информации достигаются разные цели, и поэтому информация неоднократно перекодируется, преобразуется из вида, удобного для восприятия человеком, к виду, удобному для обработки автоматическими средствами, и наоборот.
Для автоматизации работы с данными разных типов их представляют в единой форме.
В вычислительной технике используется универсальная система кодирования данных двоичным кодом — последовательностью двух знаков (двоичных цифр) — 0 и 1.
Двоичное кодирование используется потому, что созданы надежно работающие технические устройства, которые могут со стопроцентной надежностью сохранять и распознавать не более двух различных состояний (цифр):
— электромагнитные реле (замкнуто/разомкнуто) (широко использовались в конструкциях первых ЭВМ);
— участок поверхности магнитного носителя информации (намагничен/размагничен);
— участок поверхности лазерного диска (отражает/не отражает);
— триггер (может устойчиво находиться в одном из двух состояний) (широко используется в оперативной памяти компьютера).
Один разряд двоичного кода (0 или 1) называется битом (от английского binary digit — двоичная цифра).
Данные часто рассматриваются как вариант текста, состоящего из разных символов. В двоичном коде имеется ровно два символа — О и 1. Их значения выражаются одним битом. Однако на практике приходится иметь дело с более разнообразными наборами символов. Полный набор разных символов, которые могут встретиться в кодируемой последовательности, называют алфавитом, а количество символов в алфавите — мощностью алфавита.
2.3. Количество и единицы измерения информации
Способ измерения количества информации зависит от того, что в данном случае вкладывается в понятие информация: либо это некоторое знание, либо символьная последовательность, либо программа (алгоритм), отражающая некоторый процесс.
На сегодняшний день наиболее часто используются следующие способы измерения информации: объемный, энтропийный и алгоритмический.
Энтропийный (содержательный) способ. Этот подход к измерению количества информации принят в теории информации и кодирования. В этом случае принято следующее определение информации: это знания, которые получает человек, независимо от формы их представления.
Человек получает знания в виде сообщений. Сообщение — это информационный поток, который в процессе передачи информации поступает к принимающему его субъекту. Сообщение — это и речь, которую человек слышит, и воспринимаемые им зрительные образы (например, фильм по телевизору, сигнал светофора), и текст книги, и т.д. Если полученное человеком сообщение пополняет его знания, несет для него информацию, то такое сообщение называется информативным. Информативно то сообщение, которое содержит новые и понятные для человека сведения.
Если сообщение неинформативно для человека, то количество информации в нем, с точки зрения этого человека, равно нулю. При энтропийном способе измерения информации ее количество в информативном сообщении больше нуля.
Получатель информации (сообщения) имеет определенные представления о возможных наступлениях некоторых событий. Например, при бросании монеты человек знает, что выпадет «орел» или «решка»; при бросании игрального кубика — что выпадет одна из шести граней и т.д.
Количество возможных результатов события — это неопределенность знаний об этом событии.
Так, в примере с бросанием монеты неопределенность знаний равна двум, с бросанием игрального кубика — шести. Общая мера неопределенности называется энтропией.
Минимальная единица измерения информации называется «бит» и определяется следующим образом: сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации или сообщение о том, что произошло одно событие из двух равновероятных, несет 1 бит информации.
События называются равновероятными, если ни одно из них не имеет преимущества перед другими, т.е. они могут наступить с равной вероятностью. Примеры равновероятных событий: выпадение «орла» или «решки» при бросании монеты, одной из шести граней при бросании игрального кубика.
Объемный (алфавитный, кибернетический) способ — применяется в вычислительной технике. В этом случае принято следующее определение информации: это некоторая символьная последовательность.
Содержание текста (символьной последовательности) в этом способе не учитывается.
Для составления любой символьной последовательности используется некоторый алфавит. Алфавит — это конечное множество символов, используемых для представления информации. Число символов в алфавите называется мощностью алфавита.
Каждый символ несет в себе определенное количество информации, которое называется информационным весом символа и зависит от мощности алфавита.
Единицы измерения информации:
— 1 бит — минимальная единица измерения;
— 1 байт = 8 бит;
— 1 Кбайт (килобайт) = 210 байт (1024 байт);
— 1 Мбайт (мегабайт) = 210 Кбайт = 220 байт;
— 1 Гбайт (гигабайт) = 210 Мбайт = 230 байт;
— 1 Тбайт (терабайт) = 210 Гбайт = 240 байт.
Количество информации, передаваемое за единицу времени, называется скоростью передачи информации, или скоростью информационного потока.
В информатике рассматриваются два варианта передачи данных: последовательная и параллельная. Тип передачи зависит от организации интерфейса связи.
При последовательной передаче данных один сигнал содержит один бит данных. Поэтому единицы скорости передачи информации строятся на основе бита: бит в секунду (бит/с), килобит в секунду (Кбит/с) и так далее.
При параллельной передаче данных один сигнал или группа одновременно передаваемых и принимаемых сигналов содержат несколько битов информации. Их число определяется шириной канала связи. Единицы скорости передачи определяются на основе байта: байт в секунду (байт/с), килобайт в секунду (Кбайт/с) и так далее.
Максимальная скорость передачи информации по каналу связи называется пропускной способностью канала.
2.4. Математические основы кодирования информации
2.4.1. Системы счисления
Понятие числа является фундаментальным как для математики, так и для информатики.
Система счисления — это способ изображения чисел и соответствующие ему правила действия над числами.
Все системы счисления можно разделить на непозиционные и позиционные.
В непозиционных системах счисления от положения знака в записи числа не зависит величина, которую он обозначает.
Непозиционными системами счисления пользовались древние египтяне, греки, римляне и некоторые другие народы древности.
Алфавит системы счисления — множество цифр, используемых в ней. Основание системы счисления — это мощность алфавита (число цифр).
Система счисления, применяемая в современной математике, является позиционной десятичной системой счисления. Ее основание равно десяти, так как запись любых чисел производится с помощью алфавита из десяти цифр: 0, 1,2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.
Одна и та же цифра в зависимости от позиции в записи числа обозначает разные величины, например, в числе 333 первая тройка слева обозначает три сотни (300), вторая — три десятка (30), третья — три единицы (3).
Наименьшее возможное основание позиционной системы счисления — 2. Для записи чисел в позиционной системе с основанием п нужно иметь алфавит из п цифр. Обычно для этого при п < 10 используют п первых арабских цифр, а при п > 10 к десяти арабским цифрам добавляют буквы.
Перевод чисел из одной позиционной системы счисления в другую. Число в любой позиционной системе можно представить в виде суммы произведений составляющих его цифр на соответствующие степени основания системы. Например:
752910 = 7 • 103 + 5 • 102 + 2 • 101 + 9 • 10°.
На этом свойстве чисел в позиционных системах счисления основан перевод чисел в десятичную систему счисления из любых других позиционных систем счисления.
Степени у оснований системы счисления равны номеру соответствующего разряда в числе (разряды дробной части нумеруются отрицательными числами).
При переводе чисел из десятичной системы счисления в любую другую позиционную систему счисления данное десятичное число делится с остатком на основание той системы счисления, в которую число переводится. Деление продолжается до тех пор, пока частное не станет меньше делителя (основания системы). Это частное — старшая цифра искомого числа. Остальные цифры — это остатки отделения, выписанные в порядке, обратном их получению (первый остаток — последняя цифра).
2.4.2. Двоичная арифметика
Двоичная система счисления содержит всего две цифры: 0 и 1, поэтому вычисления в двоичной арифметике выполняются гораздо проще, чем в десятичной.
Варианты сложения двоичных цифр:
0 + 0 = 0, 0+1 = 1, 1 + 1 = 10.
Принципы архитектуры ЭВМ были сформулированы Джоном фон Нейманом в 1946 г. Согласно первому принципу Неймана, ЭВМ производит арифметические расчеты в двоичной системе счисления. Гораздо проще сконструировать процессор, который работает в двоичной системе счисления, чем работающий в десятичной.
2.5. Представление информации в компьютере
2.5.1. Представление текстовой информации в компьютере
Текстовая информация состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания, скобок и др. Множество всех символов, с помощью которых записывается текст, называется алфавитом, а число символов в алфавите — его мощностью.
Тексты вводятся в память компьютера с помощью клавиатуры. На клавишах написаны привычные для человека буквы, цифры, знаки препинания и другие символы. В оперативную память компьютера они попадают в форме двоичного кода.
Для представления текстовой информации в компьютере используется алфавит мощностью 256 символов.
Двоичный код каждого символа занимает 1 байт (8 бит) памяти.
Какой именно восьмиразрядный двоичный код соответствует каждому символу, зависит от способа кодировки.
Все символы компьютерного алфавита нумеруются от 0 до 255. Каждому номеру соответствует восьмиразрядный двоичный код от 00000000 до 11111111 (порядковый номер символа в двоичной системе счисления). Причем, если количество разрядов в двоичном числе, полученном при переводе порядкового номера, окажется меньше восьми, то необходимо дополнить двоичное число слева нулями до получения восьми знаков.
Таблица, в которой всем символам компьютерного алфавита поставлены соответствующие порядковые номера и двоичные коды, называется таблицей кодировки.
С распространением персональных компьютеров типа IBM PC Институт стандартизации США {ANSI—American National Standard Institute) ввел в действие систему кодирования ASCII {American Standard Code for Information Interchange — стандартный код информационного обмена США). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.
Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производителям аппаратных средств. В этой области размещаются так называемые управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять выводам прочих данных.
Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов (табл. 2.2). Остальные 128 кодов (начиная с кода 10000000 и заканчивая кодом 11111111) используются в разных вариантах. В русских национальных кодировках в этой части таблицы размещаются символы русского алфавита. В настоящее время в России можно указать три действующих стандарта кодировки: Windows-125\, КОИ-8, ГОСТ-альтернативная.
Кодировка символов русского языка Windows-1251 (табл. 2.3) была введена «извне» — компанией Microsoft, но, учитывая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России, она глубоко закрепилась и нашла широкое распространение. Эта кодировка широко используется на большинстве локальных компьютеров, работающих на платформе Windows.
Происхождение кодировки КОИ-8 (код обмена информацией, восьмизначный) относится ко временам действия Совета Экономической Взаимопомощи государств Восточной Европы. Сегодня кодировка КОИ-8 (табл. 2.4) имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернета.
Ограниченный набор из 256 кодов символов сегодня уже не удовлетворяет возросшим потребностям международного общения. Все большее распространение получает универсальная система 16-разрядного кодирования символов UNICODE.
Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65536 различных символов — этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты, символов «мертвых» языков, а также некоторых символов, не имеющих лексического содержания, указателей и т.п.
Переход к повсеместному использованию системы UNICODE носит постепенный характер. Его сдерживает существующая документная база и необходимость в высоком уровне развития вычислительной техники. Необходимого уровня обеспеченности ресурсами технические средства достигли во второй половине 90-х гг. АХ века, и сегодня наблюдается постепенный перевод документов и программных средств на универсальную систему кодирования.
2.5.2. Представление графической информации в компьютере
За хранение и воспроизведение графической информации в компьютере отвечает графическая система (рис. 2.1), которая включает в себя графический дисплей и видеоадаптер (видеоконтроллер).
Изображение на графическом дисплее формируется из совокупности множества светящихся точек, выстроенных в ровные ряды, — видеопикселей. Слово пиксель происходит от английского «picture element» — элемент рисунка. Пиксели на экране образуют сетку из горизонтальных строк и вертикальных столбцов, которая носит название растр. Строки растра периодически (50—70 раз в секунду и более) сканируются, воспроизводя изображение: одни пиксели светятся, другие — нет. Дисплеи, работающие описанным способом (построчное сканирование графической сетки), называются растровыми дисплеями.
На черно-белых дисплеях пиксель — это одна точка, которая может иметь только два цвета: черный, белый (либо оттенки серого).
Пиксель на цветном дисплее состоит из трех близко расположенных точек: красной, зеленой и синей. Из сочетания этих трех цветов и их оттенков получаются все другие цвета.
Работой графического дисплея управляет видеоконтроллер (адаптер). В его состав входят видеопамять и дисплейный процессор.
Для хранения видеоинформации предназначена видеопамять двоичного кода изображения, выводимого на экран. В видеопамяти содержится информация о состоянии каждого пикселя экрана.
Работой дисплея управляет дисплейный процессор, который периодически (50—70 раз в секунду) читает содержимое видеопамяти.
Таким образом, к видеопамяти имеют доступ два процессора: центральный и дисплейный. Центральный процессор записывает видео-
31информацию, а дисплейный — периодически читает ее и передает на дисплей.
Информация в видеопамяти — это двоичные коды, обозначающие цвет и яркость каждого пикселя на экране.
Количество цветов используемой палитры К и размер кода пикселя в битах b связаны формулой: К = 2Ь.
Черно-белые изображения принято представлять в градациях серого цвета. Если яркость точки кодируется одним байтом, можно использовать 256 различных серых тонов (256 = 28). Такая точность согласуется с восприимчивостью человеческого глаза и возможностями полиграфической техники.
При кодировании цветных изображений применяют принцип декомпозиции цвета на составляющие. В качестве таких составляющих используют красный (Red, К), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В) цвета. Любой цвет, видимый человеческим глазом, получается при смешивании этих трех основных цветов.
Если для кодирования яркости каждой из составляющих использовать 8 двоичных разрядов (256 значений), то на кодирование каждого пикселя нужно 24 разряда. Такая система кодирования однозначно определяет 16,8 миллионов цветов, что близко к чувствительности человеческого глаза. Режим 24-разрядного представления цветной графики называют полноцветным (True Color). При технической реализации полноцветной графики удобно отводить на цвет каждого пикселя не 24, а 32 разряда (32 — пятая степень двойки). Дополнительный байт иногда используют для задания степени прозрачности изображения.
Способ формирования полиграфического изображения делает более удобным применение не основных, а дополнительных цветов, которые дополняют основные цвета до белого. Дополнительными цветами являются голубой (Cyan, Q, пурпурный (Magenta, M) и желтый (Yellow, Y). Из-за несовершенства красителей смесь трех таких красок не дает идеального черного цвета. Поэтому черную краску (ЫаК, К) используют отдельно. Такая система кодирования носит название CMYK (черный цвет обозначается буквой К, чтобы не путать его с синим). Подготовку изображения для цветной печати с использованием системы СЖЖназывают цветоделением.
Более грубое представление цвета использует меньшее число разрядов. Например, кодирование цветной графики 16-разрядными числами носит название High Color. В этом случае каждому цвету отводят пять разрядов. Оставшийся бит чаще всего отдают зеленому цвету.
Ранее широко применялся индексный метод кодирования цвета с помощью восьми бит. Таким образом можно передать только 256 цветовых оттенков. Однако каждый восьмиразрядный код не описывает цвет, а указывает его номер (индекс) в специальной таблице (палитре). Эта таблица содержит сами коды цветов (обычно в формате True Color) и прикладывается к графическому изображению.
На современных высококачественных дисплеях используется палитра более чем из 16 миллионов цветов. Требуемый размер видеопамяти в этом случае — несколько мегабайт.
2.5.3. Представление звуковой информации в компьютере
Приемы и методы работы со звуковой информацией пришли в вычислительную технику сравнительно недавно. В итоге методы кодирования звуковой информации двоичным кодом далеки от стандартизации. Множество отдельных компаний разработали свои корпоративные стандарты, но если говорить обобщенно, то можно выделить два основных направления.
Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, то есть кодом.
В природе звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть являются аналоговыми. Их разложение в гармонические ряды и представление в виде дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства — аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Для этого достаточно несколько раз (несколько десятков, сотен, тысяч раз) в секунду измерять величину аналогового сигнала и кодировать ее, например, с помощью 256 различных значений. Фактически, плоскость сигнала разбивается вертикальными и горизонтальными линиями и приближенно считается, что график проходит в точности через узлы получившейся сетки (плавная линия заменяется ломаной).
Вертикальное разбиение называется дискретизацией (по времени) аналогового сигнала и характеризуется частотой дискретизации. Обычно для кодирования звука выбирают одну из трех частот — 44,1 КГц, 22,05 КГц или 11,025 КГц. Самая качественная частота соответствует музыке, записанной на компакт-диске. Величина аналогового сигнала измеряется в этом случае 44100 раз в секунду. Раздельно кодируются левый и правый каналы в случае стереозвучания.
Важно и горизонтальное разбиение — квантование (по уровню). Чем мельче сетка — тем качественнее приблизится аналоговый звук с помощью цифр. Обычно применяется всего два его типа — 8-битное и 16-битное. В первом случае получается 256 различных значений напряжения, во втором — 65536 значений. Восьмибитное квантование применяется для оцифровки обычной речи (например, телефонного разговора) и радиопередач на коротких волнах, шестнадцатибитное — для оцифровки музыки и УКВ-радиопередач.
Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной музыки. В то же время, данный метод кодирования обеспечивает весьма компактный код, и поэтому он нашел применение еще в те годы, когда ресурсы средств вычислительной техники были недостаточны.
Метод таблично-волнового синтеза (Wiave-ТаЫе) лучше соответствует современному уровню развития техники. Если говорить упрощенно, то можно сказать, что где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов (и не только для них). В технике такие образцы называют сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие параметры, характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов используются «реальные» звуки, то качество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания реальных музыкальных инструментов.
2.5.4. Представление числовой информации в компьютере
Существует два способа представления чисел в памяти ЭВМ: форма с фиксированной точкой и форма с плавающей точкой. Под точкой подразумевается знак-разделитель целой и дробной части числа.
Представление чисел в форме с фиксированной точкой. Форма с фиксированной точкой применяется для представления целых чисел в памяти ЭВМ. Часть памяти, вмещающая в себя информацию, доступную для обработки отдельной командой процессора, называется ячейкой. Содержимое ячейки памяти (находящийся в ячейке двоичный код) называется машинным словом.
Для получения двоичного кода целого положительного числа достаточно перевести это число в двоичную систему счисления. Причем, если количество разрядов в полученном двоичном числе окажется меньше размера машинного слова, то необходимо дополнить двоичное число слева нулями до этого размера. Получаемый таким образом двоичный код носит название прямой код.
Для получения внутреннего представления целого отрицательного числа используется дополнительный код.
Дополнительным кодом двоичного числа Хв iV-разрядной ячейке является число, дополняющее его до значения 2N.
Получить дополнительный код можно следующим образом:
1) Записать внутреннее представление положительного числа X.
2) Записать обратный код этого числа заменой во всех разрядах 0 на 1 и 1 на 0.
3) К полученному числу прибавить 1.
Старший разряд в представлении любого отрицательного числа равен 1. Следовательно, он указывает на знак числа и поэтому называется знаковым разрядом.
В случае представления отрицательных целых чисел в дополнительном коде операция вычитания двух чисел сводится к сложению с дополнительным кодом вычитаемого, и процессору достаточно уметь лишь складывать числа: А — В — А + {— В).
Если значение (—В) будет иметь форму дополнительного кода, то в памяти ЭВМ получится правильный результат.
Единица в старшем разряде, получаемая при сложении, выходит за границу разрядной сетки машинного слова и исчезает.
Выход результатов вычислений за границы допустимого диапазона называется переполнением. Переполнение при вычислениях с фиксированной точкой не вызывает прерывания работы процессора. Машина продолжает считать, но результаты могут оказаться неправильными.
Представление чисел в форме с плавающей точкой. Форма с плавающей точкой (запятой) применяется для представления действительных (вещественных) чисел в памяти ЭВМ.
Для каждого числа, кроме нуля, определены два элемента: мантисса т и порядок п. Действительное число R представляется в виде произведения мантиссы т на основание системы счисления р в некоторой целой степени л:
В ЭВМ используется нормализованное представление числа в форме с плавающей точкой, т.е. мантисса должна удовлетворять условию:
0,\р<т<1р. Например, число 25,324 можно представить в виде:
25,324 = 2,5324 х 101 = 0,0025324 х 104 = 0,25324 х 102 и т.п. Однако нормализованным будет представление 0,25324 х 10^, так как мантисса т = 0,25324 удовлетворяет неравенству:
0,1Ю< 0,25324 <110.
Порядок в таком представлении указывает, на какое количество позиций и в каком направлении должна «переплыть», т.е. сместиться десятичная точка в мантиссе — отсюда название «плавающая точка».
В разных типах ЭВМ применяются различные варианты представления чисел в форме с плавающей точкой. Один из возможных вариантов: мантисса и порядок записываются в двоичной форме {р = 2), знак мантиссы — это знак всего числа. В ячейке содержится следующая информация о числе: знак числа, порядок и значащие цифры мантиссы.
Для кодирования действительных чисел преимущественно используют 80-разрядное кодирование. Представление с плавающей точкой является приближенным. Доступная точность (не менее 7-8 десятичных цифр) достаточна для всех практических приложений.
2.6. Алгебра логики
Логика относится к числу дисциплин, образующих математический фундамент информатики.
Логика — наука, изучающая методы установления истинности или ложности одних высказываний на основе истинности или ложности других высказываний.
Основы логики как науки были заложены в IV в. до н.э. древнегреческим ученым Аристотелем. Правила вывода истинности высказываний, описанные Аристотелем (силлогизмы), оставались основным инструментом логики вплоть до второй половины XIXв., когда в трудах Джорджа Буля, О. де Моргана и др. возникла математическая логика. Все прежние достижения логики были переведены на точный язык математики. Систему формальных обозначений и правил, введенную Джорджем Булем, назвали логической алгеброй или булевой алгеброй.
Высказывание (суждение) — это повествовательное предложение, в котором что-либо утверждается или отрицается. По поводу любого высказывания можно сказать истинно оно или ложно.
Высказывания бывают общими, частными и единичными. Общее высказывание начинается (или можно начать) со слов: все, всякий, каждый, ни один. Частное высказывание начинается (или можно начать) со слов: некоторые, большинство и т.п. Во всех других случаях высказывание является единичным.
Например:
1. «Лед — твердое состояние воды» — истинное высказывание; «Париж — столица Китая» — ложное высказывание.
2. «Все рыбы умеют плавать» — общее высказывание; «Некоторые медведи — бурые» — частное высказывание; «Буква А — гласная» — единичное высказывание. Логические величины — это понятия, выражаемые словами ИСТИНА, ЛОЖЬ (true, false).
Истинность высказываний выражается через логические величины. Логические величины составляют логические константы и логические переменные.
Логическая константа: ИСТИНА или ЛОЖЬ.
Логическая переменная — это символически обозначенная логическая величина, например А, В и т.д. Переменные логические величины могут принимать только значения логических констант, т.е. только ИСТИНА или ЛОЖЬ.
Логическое выражение — это простое или сложное высказывание. Соответственно бывают простые и сложные логические выражения.
Простое логическое выражение состоит из одной логической переменной или одного отношения.
Можно выделить шесть вариантов логических отношений: «равно», «не равно», «больше», «меньше», «больше или равно», «меньше или равно». Выполнение логических отношений для числовых величин известно из математики: 67 < 89 и т.п. Примеры простых логических выражений:
1) Автор = Толстой Л.Н.
2) Температура < 30°С.
3) А (логическая переменная).
Сложное логическое выражение строится из простых с помощью логических операций.
Логические операции. В математической логике определены пять основных логических операций: конъюнкция, дизъюнкция, отрицание, импликация, эквивалентность. Первые три из них составляют полную систему операций, вследствие чего остальные операции могут быть выражены через них (нормализованы). В информатике обычно используются эти три операции.
1. Конъюнкция — логическое умножение. В русском языке она выражается союзом «И». В математической логике используются знаки & или л. Конъюнкция — двухместная (бинарная) операция, записывается в виде А л В. Значение такого выражения будет ЛОЖЬ, если значение хотя бы одного из операндов ложно.
2. Дизъюнкция — логическое сложение. В русском языке она обозначается союзом «ИЛИ», в математической логике — знаком v. Дизъюнкция — двухместная операция; записывается в виде: A v В. Значение такого выражения будет ИСТИНА, если значение хотя бы одного из операндов истинно.
3. Отрицание (инверсия). В русском языке этой связке соответствует частица «НЕ» (иногда применяется оборот «неверно, что...»). Отрицание — унарная (одноместная) операция; записывается в виде:
Импликация — условное высказывание. В русском языке этой логической операции соответствуют союзы если ..., то; когда..., тогда; коль скоро..., то и т.п. Выражение, начинающееся после союзов если, когда, коль скоро, называется основанием условного высказывания. Выражение, стоящее после слов то, тогда, называется следствием. В логических формулах импликация обозначается знаком —>. Импликация — двухместная операция; записывается так: А -> В.
Эквивалентность — языковой аналог союзы если и только если; тогда и только тогда, когда... Эквивалентность обозначается знаком
Пример 10. Представить сложное высказывание: «Если выглянет солнце, то станет тепло» в виде логической формулы (формализовать). Решение:
Обозначим через А простое высказывание: «Выглянет солнце». Обозначим через В простое высказывание: «Станет тепло». Тогда соответствующая логическая формула имеет вид: /4 —» В.
2.7. Логические основы ЭВМ
Основой внутреннего языка компьютера является язык логики, булева алгебра. Это связано с двумя обстоятельствами: во-первых, внутренний язык компьютера и язык логики используют двоичный алфавит (достаточно в булевой алгебре обозначить ИСТИНУ — 1, а ЛОЖЬ — 0); во-вторых, все команды языка процессора реализуются через три логические операции: И (конъюнкция), ИЛИ (дизъюнкция), НЕ (отрицание).
Физически реализованные, логические операции «конъюнкция», «дизъюнкция» и «отрицание» называются вентилями (логическими элементами); соответственно вентилем «И», вентилем «ИЛИ», вентилем «НЕ».
Имея эти три типа вентилей, можно собирать любую схему, конструировать вычислительные устройства. В основе элементной базы любой ЭВМ (триггеров, сумматоров) лежат указанные вентили.
Логические элементы компьютера оперируют сигналами, представляющими собой электрические импульсы. Если есть импульс, то логический смысл сигнала — 1, нет импульса — 0.
Графическим способом представления логических элементов и образуемых ими систем являются логические схемы. Три основных вентиля на таких схемах обозначаются следующим образом (см. рис. 2.2).
В виде логических схем удобно изображать цепочки логических операций и производить их вычисления. Для этого полезно представить таблицу истинности логических операций в форме логических схем (см. рис. 2.3).
Введем обозначения: 1 — ИСТИНА, 0 — ЛОЖЬ.
Цифры в начале входящих стрелок — логические операнды; цифры в конце выходящих стрелок — результаты операций.
В целях максимального упрощения работы компьютера все многообразие математических операций в процессоре сводится к сложению двоичных чисел. Такое сложение обеспечивают сумматоры, которые являются главной частью процессора.
При сложении двоичных чисел в каждом разряде образуется сумма, при этом возможен перенос в старший разряд.
Многоразрядный сумматор процессора состоит из полных одноразрядных сумматоров. На каждый разряд ставится одноразрядный сумматор, причем выход (перенос) сумматора младшего разряда подключается ко входу сумматора старшего разряда.
Важнейшей структурной единицей оперативной памяти компьютера, а также внутренних регистров процессора является триггер. Это устройство позволяет запоминать, хранить и считывать информацию (каждый триггер может хранить 1 бит информации).
Глава 3. КОМПЬЮТЕР
3.1. Аппаратное обеспечение персонального компьютера
Аппаратное обеспечение персонального компьютера (ПК) включает в себя все устройства, составляющие современный персональный компьютер, который может быть реализован в настольном (desktop) (рис. 3.1), портативном (notebook или laptop) (рис. 3.2), или карманном (handheld) (рис. 3.3) вариантах.
В составе настольного компьютера принято выделять системный блок и периферийные устройства.
3.1.1. Системный блок
В состав системного блока (рис. 3.4) входят:
— электронные схемы;
— слоты расширения;
— жесткий диск;
— дисководы гибких дисков;
— дисководы лазерных дисков;
— блок питания. Рис. 3.1. Настольный ПК
Электронные схемы располагаются на специальных пластинах — электронных платах. Основная плата персонального компьютера — системная (материнская) плата (рис. 3.5). На ней размещаются:
— процессор — основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;
— микропроцессорный комплект (чипсет) — набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;
— шины — наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
— внутренняя память (набор микросхем);
— разъемы для подключения дополнительных устройств (контроллеров внешних устройств) — слоты расширения.
В виде отдельных дочерних плат, которые вставляются в слоты материнской платы, выполнены видеокарта (осуществляет операции, связанные с управлением экраном) и звуковая карта (выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки).
Жесткий магнитный диск (рис. 3.6) — основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Он представляет собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью.
Дисководы лазерных дисков (CD и DVD накопители) предназначены для считывания и записи информации на компакт-диски CD и DVD-дяски (рис. 3.7). Они используют оптический принцип чтения информации.
СО-7?0М-накопители (CD — Compact Disk, компакт-диск, ROM — Read Only Memory, только чтение) и DVD-ROM-накопители (DVD — Digital Video Disk, цифровой видеодиск, ROM— Read Only Memory, только чтение) позволяют лишь считывать информацию с дисков. В настоящее время широкое распространение получили 52-скоростные С/)-ЛОМ-накопители, достигающие скорости считывания до 7,8 Мбайт/с, и 16-скоростные DVD-ROM-накопи-тели, достигающие скорости считывания до 21 Мбайт/с. Для записи и перезаписи на диски используются специальные CD-RW- и DVD-RW-щкковоцы (RW— Rewritable, перезаписываемый), которые обладают достаточно мощным лазером, позволяющим менять отражающую способность участков поверхности в процессе записи диска.
Информационная емкость CD-R ОМ диска может достигать 650 Мбайт. DVD-диски имеют гораздо большую информационную емкость по сравнению с CD-дисками — до 17 Гбайт.
Блок питания преобразует электропитание сети в постоянный ток низкого напряжения, подаваемый на электронные схемы компьютера (рис. 3.8).
Кроме перечисленного, в системном блоке находятся громкоговоритель для воспроизведения простых звуков и мелодий, а также некоторые вспомогательные детали и устройства.
3.1.2. Периферийные устройства
Периферийные устройства ПК подключаются к его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря им компьютерная система приобретает гибкость и универсальность.
Устройства ввода данных
Клавиатура — клавишное устройство управления персональным компьютером, служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а также команд управления (рис. 3.9).
Основные функции клавиатуры не нуждаются в поддержке специальными системными программами (драйверами). Необходимое программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и потому компьютер реагирует на нажатия клавиш сразу после включения.
Стандартная клавиатура имеет 3 световых индикатора в правом верхнем углу, информирующих о режимах работы, и более 100 клавиш (обычно 104 клавиши), функционально распределенных по нескольким группам:
— алфавитно-цифровые (символьные) клавиши —большая группа клавиш, обычно белого цвета, расположенных в центральной части клавиатуры. Самая длинная клавиша в нижнем ряду — клавиша пробела (Space).
Черным цветом на буквенных клавишах традиционно обозначены латинские буквы, а красным — русские. Схемы закрепления символов национальных алфавитов за конкретными алфавитно-цифровыми клавишами называются раскладками клавиатуры. Общепринятые раскладки клавиатуры имеют свои корни в раскладках клавиатур пишущих машинок. Для ПК IBM PC типовыми считаются раскладки бЖЕ/?7Т(английская) и ЙЦУКЕН (русская). Раскладки принято именовать по символам, закрепленным за первыми клавишами верхней строки алфавитной группы.
Каждая клавиша может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно, может использоваться для ввода нескольких символов. Переключение между нижним регистром (для ввода строчных символов) и верхним регистром (для ввода прописных символов) выполняют удержанием клавиши Shift (нефиксированное переключение). При необходимости жестко переключить регистр используют клавишу CapsLock (фиксированное переключение);
— функциональные клавиши —двенадцать клавиш (от FI до /12), размещенные в верхней части клавиатуры. Функции, закрепленные заданными клавишами, зависят от свойств конкретной работающей в данный момент программы, а в некоторых случаях и от свойств операционной системы. Общепринятым для большинства программ является соглашение о том, что клавиша F\ вызывает справочную систему, в которой можно найти справку о действии прочих клавиш;
— служебные (специальные) клавиши располагаются рядом с клавишами алфавитно-цифровой группы. Они обычно не соответствуют никаким символам, изменяют значение других клавиш или выполняют специальные функции. В связи с тем, что ими приходится пользоваться особенно часто, они имеют увеличенный размер. К ним относятся:
• Shift — переход с одного регистра на другой и др.
• Enter — запуск исполняемых программ, подтверждение выбора пункта меню и др.
• Tab — ввод позиций табуляции при наборе текста и др.
• Esc (Escape) — отказ от исполнения начатой операции.
• CapsLock — включает/выключает режим фиксированного верхнего регистра.
• NumLock — включает/выключает режим блокировки цифр на цифровой клавиатуре.
Графический интерфейс Windows
Взаимодействие человека с компьютером в форме диалога с использованием окон, меню и элементов управления (диалоговых панелей, кнопок и так далее) позволяет осуществлять графический интерфейс.
Для работы с графическим интерфейсом используется «мышь» или другое координатное устройство ввода. При этом пользователь должен уметь производить:
• левый щелчок — однократное нажатие и отпускание основной (обычно левой) кнопки мыши;
• правый щелчок — однократное нажатие и отпускание дополнительной (обычно правой) кнопки мыши;
• двойной щелчок — два нажатия основной кнопки мыши с минимальным интервалом времени между ними;
• перетаскивание — нажатие левой или правой кнопки мыши и перемещение объекта с нажатой кнопкой.
Основную часть экрана занимает Рабочий стол (рис. 3.31), на котором располагаются значки и ярлыки (значки с маленькими стрелками в нижнем левом углу). Значки и ярлыки обеспечивают (с помощью двойного щелчка) быстрый доступ к дискам, папкам, документам, приложениям и устройствам.
Ярлык отличается от значка тем, что обозначает объект, фактически расположенный не на Рабочем столе, а в некоторой другой папке.
В левой части экрана обычно располагаются значки Мой компьютер, Сетевое окружение, Корзина и Мои документы.
В нижней части экрана располагается Панель задач (рис. 3.31), на которой находятся кнопка Пуск, кнопки выполняемых задач и открытых папок, индикаторы и часы.
Windows является многозадачной операционной системой, то есть параллельно могут выполняться несколько приложений. Каждое запущенное приложение обозначается кнопкой на Панели задач (рис. 3.31), при этом переход от работы в одном приложении к работе в другом может производиться с помощью щелчка по кнопке.
Манипуляторы относятся к координатным устройствам ввода, используются для ввода графической информации и для работы с графическим интерфейсом программ.
К ним относятся:
— «мышь» представляет собой плоскую коробочку с двумя-тремя кнопками, иногда с дополнительным колесиком, которое располагается между кнопками (рис. 3.10). Перемещение по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя «мыши») на экране монитора. Основным рабочим органом «мыши» является массивный шар (металлический, покрытый резиной), он вращается при перемещении корпуса «мыши» по горизонтальной поверхности. В настоящее время широкое распространение получили оптические «мыши», в которых нет механических частей. Источник света, размещенный внутри «мыши» освещает поверхность, а отраженный свет фиксируется фотоприемником и преобразуется в перемещение курсора на экране.
Компьютером управляют перемещая мышь по плоскости и осуществляя кратковременные нажатия правой и левой кнопок (эти нажатия называются щелчками).
В первый момент после включения компьютера «мышь» не работает. Она нуждается в поддержке специальной системной программы — драйвера «мыши», которая устанавливается либо при первом подключении «мыши», либо при установке операционной системы компьютера.
— трекбол по принципу действия и назначению похож на «мышь». В отличие от «мыши» он устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движение ладонью руки. Преимущество трекбола состоит в том, что он не нуждается в гладкой рабочей поверхности, поэтому трекболы нашли широкое применение в портативных персональных компьютерах. Рис.
Современные модели мышей и трекболов часто являются беспроводными (инфракрасная «мышь»).
Сенсорная панель (тачпад) относится к координатным устройствам ввода и представляет собой панель прямоугольной формы, чувствительную к перемещению пальца и нажатию пальцем.
Перемещение пальца по поверхности сенсорной панели преобразуется в перемещение курсора на экране монитора. Нажатие на поверхность сенсорной панели эквивалентно нажатию на кнопку «мыши». Недостатком тачпадов является невысокая точность.
Тачпады в последнее время часто используются в портативных компьютерах вместо трекболов.
Пенмаус относится к координатным устройствам ввода и представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой вместо пишущего узла установлен узел, регистрирующий величину перемещения.
Графические планшеты (дигитайзеры) предназначены для рисования и ввода рукописного текста, относятся к координатным устройствам ввода информации (рис. 3.12).
Существует несколько различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. С помощью этого пера можно чертить, рисовать схемы, добавлять заметки и подписи к электронным документам. Устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им создавать экранные изображения привычными приемами (карандаш, перо, кисть).
Сканер используется для оптического ввода в компьютер и преобразования в компьютерную форму изображений. Сканируемое изображение освещается белым светом (черно-белые сканеры) или тремя цветами (красным, зеленым и синим). Отраженный свет проецируется на линейку фотоэлементов, которая движется, последовательно считывает изображение и преобразует его в компьютерный формат. В отсканированном изображении количество различаемых цветов может достигать десятков миллиардов.
Системы распознавания текстовой информации позволяют преобразовать отсканированный текст из графического формата в текстовой. Такие системы способны распознавать текстовые документы на различных языках, представленные в различных форматах (например, таблицах) и с различным качеством печати.
Цифровые камеры (видеокамеры и фотокамеры) позволяют получать видеоизображение и фотоснимки непосредственно в цифровом (компьютерном) формате (рис. 3.14).
Запись изображений на жесткий диск компьютера может осуществляться путем подключения камеры к компьютеру.
Микрофон предназначен для ввода звуковой информации в компьютер. Он подключается к входу звуковой карты.
Устройства вывода данных
Монитор — универсальное устройство визуального представления данных, подключается к видеокарте, установленной в компьютере.
Монитор является главным устройством вывода информации. Изображение в компьютерном формате (в виде последовательностей нулей и единиц) хранится в видеопамяти, размещенной на видеокарте. Изображение на экране монитора формируется путем считывания содержимого видеопамяти и отображения его на экран.
Сейчас наиболее распространены мониторы двух основных типов: на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) и плоские жидкокристаллические (ЖК). ЭЛТ-мониторы обеспечивают лучшее качество изображения, но в пользу ЖК-мониторов гово-Рис. 3.15. ЭЛТ-монитор Рит их компактность, небольшой вес, идеально плоская поверхность экрана, отсутствие вредных для человека электромагнитных излучений.
Принтер предназначен для вывода на бумагу (создания «твердой копии») числовой, текстовой и графической информации.
По своему принципу действия принтеры делятся на:
— матричные — это принтеры ударного действия (рис. 3.17). Печатающая головка матричного принтера состоит из вертикального столбца маленьких стержней (обычно 9 или 24), которые под воздействием магнитного поля «выталкиваются» из головки и ударяют по бумаге (через красящую ленту). Перемещаясь, печатающая головка оставляет на бумаге строку символов.
Качество печати матричных принтеров напрямую зависит от количества иголок в печатающей головке. Так, 24-игольчатые принтеры позволяют получать оттиски документов, практически не уступающие по качеству документам, исполненным на пишущей машинке.
В настоящее время матричные принтеры считаются устаревшими и практически не выпускаются;
— струйные — получили широкое распространение в последние годы, бывают черно-белые и цветные (рис. 3.18). В них используется чернильная печатающая головка, которая под давлением, развивающимся в печатающей головке за счет парообразования, выбрасывает чернила из ряда мельчайших отверстий на бумагу. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в результате пьезоэлектрического эффекта более стабильную форму капли, близкую к сферической. Перемещаясь вдоль бумага, печатающая головка оставляет строку символов или полоску изображения.
— лазерные — обеспечивают практически бесшумную печать (рис. 3.19). Высокая скорость печати (до 30 страниц в минуту) достигается за счет постраничной печати, при которой страница печатается сразу целиком.
Основное преимущество лазерных принтеров заключается в возможности получения высококачественных отпечатков. Уже модели среднего класса обеспечивают разрешение печати до 600 dpi, а профессиональные модели — до 1800 dpi и выше;
— светодиодные —принцип их действия похож на принцип действия лазерных принтеров. Разница заключается в том, что источником света является не лазерная головка, а линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формирования горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле. Типичная величина разрешения печати для светодиодных принтеров — порядка 600 dpi.
Плоттеры используются для вывода сложных и широкоформатных графических объектов (плакатов, чертежей, электрических и электронных схем и пр.).
Принцип действия плоттера такой же, как и струйного принтера.
Акустические колонки и наушники используются для прослушивания звука (рис. 3.21).
Они подключаются к выходу звуковой платы.
Устройства обмена данными
Модем — устройство, предназначенное для обмена информацией между удаленными компьютерами по каналам связи (МОдулятор + ДЕМодулятор).
В зависимости от типа канала связи устройства приема-передачи подразделяют на радиомодемы, кабельные модемы и прочие. Наиболее широкое применение нашли модемы, ориентированные на подключение к коммутируемым телефонным каналам связи (рис. 3.22).
Цифровые данные, поступающие в модем из компьютера, преобразуются в нем путем модуляции (по амплитуде, частоте, фазе) в соответствии с избранным стандартом (протоколом) и направляются в телефонную линию. Модем-приемник, понимающий данный протокол, осуществляет обратное преобразование (демодуляцию) и пересылает восстановленные цифровые данные в свой компьютер. Таким образом обеспечивается удаленная связь между компьютерами и обмен данными между ними.
К основным потребительским параметрам модемов относятся производительность (бит/с); поддерживаемые протоколы связи и коррекция ошибок; шинный интерфейс, если модем внутренний (ISA или PCJ).
3.1.3. Память ПК
Внутренняя память ПК
Внутренняя память ПК физически реализована в электронных схемах и расположена внутри системного блока. С точки зрения физического принципа действия различают динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
5-3669
65Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов, способных накапливать заряд на своих обкладках («+» и «—» можно интерпретировать как 1 и 0).
Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные микроэлементы — триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере хранится не заряд, а состояние (включен/выключен). Этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие по сравнению с DRAM, хотя технологически он сложнее и, соответственно, дороже.
Выделяют следующие виды внутренней памяти:
оперативная (RAM— Random Access Memory) — это массив кристаллических ячеек, способных хранить данные. Оперативная память представлена микросхемами динамической памяти DRAM.
Каждая ячейка памяти имеет свой адрес, который выражается числом. В настоящее время предельный размер адреса обычно составляет 32 разряда, а это означает, что всего независимых адресов может быть 232. Одна адресуемая ячейка содержит восемь двоичных ячеек (одна двоичная ячейка называется «бит»), в которых можно сохранить 8 бит, то есть один байт данных.
Оперативная память в компьютере размещается на стандартных панельках, называемых модулями. Модули памяти представляют собой пластины с рядами контактов, на которых размещаются БИС памяти. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате.
При выключении ПК информация из оперативной памяти стирается;
— кэш-память создается с целью уменьшения количества обращений процессора к оперативной памяти, представляет собой микросхемы статической памяти SRAM.
В кэш-памяти хранятся копии наиболее часто используемых фрагментов оперативной памяти. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память (как бы «сверхоперативную» память), и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш-память называют «попаданиями в кэш». Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэш-памяти.
Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему ввода-вывода (BIOS— Basic Input Output System). Основное назначение программ этого пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры;
— энергонезависимая (CMOS) — микросхема на материнской плате. От оперативной памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в состав системы.
Внешняя (долговременная) память ПК
Основной функцией внешней памяти компьютера является способность долговременно хранить большой объем информации (программы, документы, аудио- и видеоклипы и пр.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем (или дисководом), а хранится информация на носителях (например, дискетах).
Ко внешней памяти относятся:
— жесткий магнитный диск — располагается внутри системного блока, представляет собой несколько десятков дисков, размещенных на одной оси, заключенных в металлический корпус и вращающихся с большой угловой скоростью (рис. 3.6).
Управление работой жесткого диска выполняет специальное ап-паратно-логическое устройство — контроллер жесткого диска. В настоящее время функции контроллеров дисков частично интегрированы в сам жесткий диск, а частично выполняются микросхемами, входящими в микропроцессорный комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров жестких дисков могут поставляться на отдельной дочерней плате, подключаемой к одному из слотов материнской платы.
К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. Емкость дисков зависит от технологии их изготовления и сейчас может достигать 150 Гбайт и более. Производительность жестких дисков связана со скоростью внутренней передачи данных, которая в настоящее время может достигать 133 Мбайт/с;
— гибкие магнитные диски (дискеты) используются для оперативного переноса небольших объемов информации.
Гибкие магнитные диски помещаются в пластмассовый корпус. В центре дискеты имеется приспособление для захвата и обеспечения вращения диска внутри пластмассового корпуса. Дискета вставляется в дисковод, который вращает диск с постоянной угловой скоростью. При этом магнитная головка дисковода устанавливается на определенную концентрическую дорожку диска, на которую и производится запись или с которой производится считывание информации.
Основными параметрами гибких дисков являются технологический размер (измеряется в дюймах) и полная емкость. В настоящее время преимущественно используются дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие емкость 1,44 Мбайт.
Магнитный принцип записи и считывания информации записывается в следующем:
в накопителях на гибких магнитных дисках (НГМД) и накопителях на жестких магнитных дисках (НЖМД) в основу записи информации положено намагничивание ферромагнетиков в магнитном поле, хранение информации основывается на сохранении намагниченности, а считывание информации базируется на явлении электромагнитной индукции.
В процессе записи информации на магнитную головку дисковода, перемещающуюся вдоль магнитного слоя носителя, поступают последовательности электрических импульсов (логических единиц и нулей), которые создают в головке магнитное поле. В результате последовательно намагничиваются (логическая единица) или не намагничиваются (логический нуль) элементы поверхности носителя.
В отсутствии сильных магнитных полей и высоких температур элементы носителя могут сохранять свою намагниченность в течение долгого времени (лет и десятилетий).
При считывании информации при движении магнитной головки над поверхностью носителя намагниченные участки носителя вызывают в ней импульсы тока (явление электромагнитной индукции). Последовательности таких импульсов передаются в оперативную память компьютера;
— лазерные диски — наиболее популярные на сегодняшний день носители информации.
На лазерных CD-ROMи DVD-ROM дисках хранится информация, которая была записана на них в процессе изготовления. Запись на них новой информации невозможна, что отражено во второй части их названий: ROM (Read Only Memory — только чтение). Производятся такие диски путем штамповки и имеют серебристый цвет.
В лазерных дисководах используется оптический принцип записи и считывания информации.
В процессе записи информации на лазерные диски для создания участков поверхности с различными коэффициентами отражения применяются различные технологии: от простой штамповки до изменения отражающей способности участков поверхности диска с помощью мощного лазера. Информация на лазерном диске записывается на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью.
В процессе считывания информации с лазерных дисков луч лазера, установленного в дисководе, падает на поверхность вращающегося диска и отражается. Так как поверхность лазерного диска имеет участки с различными коэффициентами отражения, то отраженный луч также меняет свою интенсивность (логические 0 или 1). Затем отраженные световые импульсы преобразуются с помощью фотоэлементов в электрические импульсы и по магистрали передаются в оперативную память.
Flash-память — это энергонезависимый тип памяти, позволяющий записывать и хранить данные в микросхемах. Карты flash -памяти не имеют в своем составе движущихся частей, что обеспечивает высокую сохранность данных при их использовании в мобильных устройствах (портативных компьютерах, цифровых камерах и др.).
К недостаткам flash-памят следует отнести то, что не существует единого стандарта и различные производители изготавливают несовместимые друг с другом по размерам и электрическим параметрам карты памяти.
Логическая структура дисков
Форматирование дисков. Для того, чтобы на диске можно было хранить информацию, диск должен быть отформатирован, то есть должна быть создана физическая и логическая структура диска.
Формирование физической структуры диска заключается в создании на диске концентрических дорожек, которые, в свою очередь, делятся на секторы (рис. 3.25). Для этого в процессе форматирования магнитная головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.
Логическая структура гибкого магнитного диска представляет собой совокупность секторов (емкостью 512 байтов), каждый из которых имеет свой порядковый номер. Сектора нумеруются в линейной последовательности от первого сектора нулевой дорожки до последнего сектора последней дорожки. На гибком диске минимальным адресуемым элементом является сектор.
Логическая структура жестких дисков отличается от логической структуры гибких дисков.
На жестком диске минимальным адресуемым элементом является кластер, который содержит несколько секторов.
Размер кластера зависит от типа используемой таблицы размещения файлов (FAT) и от емкости жесткого диска.
Существует два различных вида форматирования дисков: полное и быстрое форматирование.
Полное форматирование включает в себя как физическое форматирование (проверку качества магнитного покрытия дискеты и ее разметку на дорожки и секторы), так и логическое форматирование (создание таблицы размещения файлов). После полного форматирования вся хранившаяся на диске информация будет уничтожена. Быстрое форматирование производит лишь очистку таблицы размещения файлов. Информация сохраняется, и в принципе возможно восстановление файловой системы.
3.1.4. Магистрально-модульный принцип построения компьютера
Основной микросхемой компьютера, в которой производятся все вычисления, является процессор (рис. 3.26).
Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки процессора называются регистрами.
Данные, попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в зависимости от своего содержания способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников, называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и командная шина. Эти три многоразрядные шины образуют системную шину, или магистраль.
Основные параметры процессоров:
— рабочее напряжение — обеспечивает материнская плата, поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы. Ранние модели процессоров имели рабочее напряжение 5 В. С переходом к процессорам Intel Pentium оно было понижено до 3,3 В, а в настоящее время оно составляет менее 2 В. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, что позволяет увеличивать производительность процессора.
— разрядность — показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными. В ближайшем будущем предполагается проникновение 64-разрядных процессоров на персональные компьютеры.
Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а сегодня рабочие частоты (тактовые частоты) некоторых процессоров уже превосходят 3 миллиарда тактов в секунду (3 ГГц).
В основу построения персональных компьютеров положен магис-трально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию.
Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. На системной (материнской) плате реализована магистраль обмена информацией: к магистрали (системной шине) подключаются процессор и модули оперативной памяти, а также периферийные устройства, которые обмениваются информацией на машинном языке.
Быстродействие различных компонентов компьютера (процессора, оперативной памяти и контроллеров периферийных устройств) может существенно различаться. Для согласования быстродействия на системной плате устанавливаются специальные микросхемы (чипсеты), включающие в себя контроллер оперативной памяти (так называемый северный мост) и контроллер периферийных устройств (южный мост) (рис. 3.27).
Северный мост обеспечивает обмен информацией между процессором и оперативной памятью по системной шине. В процессоре используется внутреннее умножение частоты, поэтому частота процессора в несколько раз больше, чем частота системной шины. В современных компьютерах частота процессора может превышать частоту системной шины в 10 раз.
К северному мосту подключается шина PCI, которая обеспечивает обмен информацией с контроллерами периферийных устройств, которые устанавливаются в слоты расширения системной платы.
В настоящее время для подключения видеоплаты обычно используется специальная шина AGP, соединенная с северным мостом и имеющая частоту, в несколько раз большую, чем шина PCI.
Южный мост обеспечивает обмен информацией между северным мостом и портами для подключения периферийного оборудования.
3.2. Программное обеспечение ПК
Программа — это упорядоченная последовательность команд, которую выполняет компьютер в процессе обработки данных.
Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера. Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии.
Программное обеспечение ПК (ПО ПК) — это совокупность всех программ, установленных на компьютере.
ПО ПК можно разделить на три категории:
— системное — выполняет различные вспомогательные функции (например, проверку работоспособности, наладку и настройку устройств компьютера);
— прикладное — обеспечивает выполнение необходимых пользователю работ (например, создание и редактирование текстов), не прибегая к программированию;
— инструментальное (системы программирования) — обеспечивает создание новых программ для компьютера, в том числе новых систем программирования.
Грани между указанными тремя категориями программ весьма условны, так как довольно часто компьютерная программа может сочетать в себе черты сразу двух, а иногда и трех категорий.
Классификация системного ПО
В системном программном обеспечении можно выделить несколько уровней:
— базовый — программы этого уровня отвечают за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в микросхемах ПЗУ. Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации;
— системный — переходный. Программы этого уровня обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. К таким программам относятся драйверы устройств — программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами (например, драйвер мыши, драйвер монитора).
Другой класс программ этого уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Благодаря им пользователь получает возможность вводить данные в вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программы называются средствами обеспечения пользовательского интерфейса.
Совокупность программ системного уровня образует ядро операционной системы ПК.
Наличие ядра операционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой;
— служебный — основное назначение программ этого уровня (их называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. К их числу относятся:
— диспетчеры файлов (файловые менеджеры) — позволяют выполнять большинство операций, связанных с обслуживанием файловой структуры: копирование, перемещение, переименование, удаление, поиск файлов и каталогов в файловой структуре;
— средства сжатия данных (архиваторы) — предназначены для создания архивов. Архивные файлы обычно имеют повышенную плотность записи информации, следовательно, занимают меньше места на носителе;
— средства просмотра и воспроизведения — используются для просмотра файлов разных типов в тех случаях, когда не требуется их редактирование;
— средства диагностики — выполняют необходимые проверки программного и аппаратного обеспечения и выдают собранную информацию в удобном и наглядном виде;
— средства контроля (мониторинга) — позволяют следить за процессами, происходящими в компьютерной системе;
— средства коммуникации — устанавливают соединения с удаленными компьютерами, обслуживают электронную почту и тд в компьютерных сетях;
— антивирусные программы и некоторые другие.
Уровни системного ПО представляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на ПО предшествующих уровней и повышает функциональность всей системы
Уровни системного ПО
Служебный уровень
Системный уровень
Базовый уровень
Классификация прикладного ПО
Программы, входящие в прикладное ПО, иногда называют приложениями. Приложения функционируют под управлением определенной операционной системы.
Практически каждый пользователь компьютера нуждается в приложениях общего назначения:
— текстовые редакторы и процессоры — предназначены для ввода, редактирования и форматирования текстовых данных (например, Microsoft Word);
— графические редакторы — предназначены для создания и обработки графических изображений. Различают растровые редакторы (например, Paint), векторные редакторы (например, CorelDraw) и программные средства для создания и обработки трехмерной графики (3D — редакторы);
— системы подготовки презентаций — предназначены для создания мультимедиа-презентаций. Например, Microsoft PowerPoint,
— системы управления базами данных — предназначены для создания, заполнения и использования баз данных — огромных массивов данных, организованных в табличные структуры. Например, Microsoft Access;
— электронные таблицы — предоставляют комплексные средства для хранения различных типов данных (преимущественно числовых) и их обработки. Например, Microsoft Excel;
— браузеры (обозреватели, средства просмотра Web) — предназначены для просмотра электронных документов, выполненных в формате HTML (документы этого формата используются в качестве ЖеА-документов). Например, Microsoft Internet Explorer,
— обучающие, развивающие, справочные и развлекательные системы и программы — например, электронные энциклопедии, компьютерные игры.
Для профессионального использования в различных сферах деятельности квалифицированными пользователями компьютера используются приложения специального назначения:
— системы автоматизированного проектирования (CAD — системы) — позволяют автоматизировать проектно-конструкторские работы, проводить простейшие расчеты. Применяются в машиностроении, приборостроении, архитектуре;
— настольные издательские системы — автоматизируют процесс верстки полиграфических изданий;
— экспертные системы — предназначены для анализа данных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросу пользователя;
— Web-редакторы — предназначены для создания и редактирования Жеб-документов, объединяют в себе свойства текстовых и графических редакторов. Например, «FrontPage»;
— интегрированные системы делопроизводства — используются для автоматизации рабочего места руководителя;
— бухгалтерские системы — предназначены для автоматизации бухгалтерского учета на предприятиях и организациях. Например, «1С Бухгалтерия»;
— финансовые аналитические системы — используются в банковских и биржевых структурах, позволяют контролировать и прогнозировать ситуацию на финансовых, товарных и сырьевых рынках;
— геоинформационные системы (ГИС) — предназначены для автоматизации картографических и геодезических работ на основе информации, полученной топографическими или аэрокосмическими методами.
— системы видеомонтажа — предназначены для цифровой обработки видеоматериалов, их монтажа.
Системы программирования обычно включают компилятор, осуществляющий преобразование программ на языке программирования в программу в машинных кодах, или интерпретатор, осуществляющий непосредственное выполнение программы на языке программирования высокого уровня, редактирование текстов программ и другие вспомогательные программы.
Основа любой системы программирования — язык программирования, например Pascal, Basic и др.
3.3. Файловая система ПК
Все программы и данные хранятся во внешней памяти компьютера в виде файлов.
Файл — это определенное количество информации (программа или данные), имеющее имя и хранящееся во внешней памяти.
Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: собственно имя файла и расширение, определяющее его тип (программа, данные и так далее). Собственно имя файлу дает пользователь, а тип файла обычно задается программой автоматически при его создании.
В различных операционных системах существуют различные форматы имен файлов. В операционной системе Windows имя файла может иметь длину до 255 символов, причем можно использовать русский алфавит, например: Единицы измерения информации.doc.
Каждый диск (гибкий, жесткий или лазерный) разбивается на две области: область хранения файлов и каталог. Каталог содержит имя файла и указание на начало его размещения на диске. Если провести аналогию диска с книгой, то область хранения файлов соответствует ее содержанию, а каталог — оглавлению. Причем книга состоит из страниц, а диск — из секторов.
Файловая система — это система хранения файлов и организации каталогов.
Для дисков с небольшим количеством файлов (до нескольких десятков) может использоваться одноуровневая файловая система, когда каталог (оглавление диска) представляет собой линейную последовательность имен файлов.
Если на диске хранятся сотни и тысячи файлов, то для удобства поиска используется многоуровневая иерархическая файловая система, которая имеет древовидную структуру. Важными элементами такой структуры, необходимыми для обеспечения удобного доступа к файлам, являются каталоги (папки). Файлы объединяются в каталоги по любому общему признаку, заданному их создателем (по типу, принадлежности, назначению, времени создания и т.п.).
Начальный, корневой каталог содержит вложенные каталоги 1-го уровня; в свою очередь, каждый из последних может содержать вложенные каталоги 2-го уровня и так далее. Необходимо отметить, что в каталогах всех уровней могут храниться и файлы.
Каждый диск имеет логическое имя:
— A:, R — гибкие диски;
— С, D., Е: и т.д. — жесткие и лазерные диски.
Для того, чтобы найти в иерархической файловой системе некоторый файл, необходимо указать путь к файлу. В путь к файлу входят записываемые через разделитель «\» логическое имя диска и последовательность имен вложенных друг в друга каталогов, в последнем из которых содержится нужный файл.
Путь к файлу вместе с именем файла называют иногда полным именем файла.
Для работы с файлами можно использовать специализированные программы, так называемые файловые менеджеры: Проводник, Norton Commander и др.
Иерархическая система папок Windows. Иерархическая файловая система представлена в операционной системе Windows с помощью графического интерфейса в форме иерархической системы папок и документов. Папка в Windows является аналогом каталога, а документ — файла.
На вершине иерархии папок находится папка Рабочий стол. Следующий уровень представлен папками Мой компьютер, Корзина и Сетевое окружение (если компьютер подключен к локальной сети).
Если необходимо ознакомиться с ресурсами компьютера, то следует открыть папку Мой компьютер.
3.4. Операционная система WINDOWS
На WINDOWS-совместимых персональных компьютерах используются операционные системы корпорации Microsoft: Windows 9x/ME, a также свободно распространяемая операционная система Linux. На персональных компьютерах фирмы Apple используются различные версии операционной системы Mac OS. На рабочих станциях и серверах наибольшее распространение получили операционные системы Windows NT/2000/XP и UNIX.
Несмотря на разнообразие операционных систем, их назначение и функции одинаковые. Операционная система является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.
Операционная система (ОС) обеспечивает совместное функционирование всех устройств компьютера и предоставляет пользователю доступ к его ресурсам.
Современные ОС имеют сложную структуру, каждый элемент которой выполняет определенные функции по управлению компьютером:
— программные модули, управляющие файловой системой;
— командный процессор — специальная программа, которая запрашивает у пользователя команды и выполняет их;
— драйверы устройств — специальные программы, которые обеспечивают управление работой устройств и согласование информационного обмена с другими устройствами, а также позволяют производить настройку некоторых параметров устройств;
— программные модули, создающие графический пользовательский интерфейс;
— сервисные программы (утилиты), позволяющие обслуживать диски, выполнять операции с файлами, работать в компьютерных сетях и т.д.;
— справочная система.
В крайней правой части Панели задач находятся Часы. Левее часов располагаются индикаторы состояния системы, например, языковая панель.
Кнопка Пуск позволяет вызвать Главное меню (рис. 3.32), которое обеспечивает доступ практически ко всем ресурсам системы и содержит команды запуска приложений, настройки системы, поиска файлов и документов, доступа к справочной системе и др.
Объектно-ориентированный подход, используемый в операционной системе Windows, позволяет рассматривать диски, папки и файлы как объекты. Все эти объекты имеют определенные свойства, и над ними могут проводиться определенные операции. Ознакомиться со свойствами объекта, а также выполнить над ним разрешенные операции можно с помощью контекстного меню (рис. 3.33).
Для вызова контекстного меню необходимо осуществить правый щелчок на значке объекта.
Важнейшим элементом графического интерфейса Windows являются окна. Абсолютно все операции, выполняемые на компьютере, происходят либо на Рабочем столе, либо в каком-либо окне.
Окно папки (рис. 3.34) — это контейнер, содержимое которого графически отображает содержимое папки.
Открытое окно может находиться в активном либо в пассивном состоянии. Если окно находится в пассивном состоянии (строка заголовка не выделена цветом), то, щелкнув по любой его части мышью, можно перевести его в активное состояние.
3.5. Антивирусные программы и зашита информации
Первая массовая эпидемия компьютерного вируса произошла в 1986 г., когда вирус Brain «заражал» дискеты для первых массовых персональных компьютеров. В настоящее время известно несколько десятков тысяч вирусов, заражающих компьютеры с различными операционными системами и распространяющихся по компьютерным сетям.
Обязательным свойством компьютерного вируса является способность к размножению (самокопированию) и незаметному для пользователя внедрению в файлы, загрузочные секторы дисков и документы.
После заражения компьютера вирус может активизироваться и заставить компьютер выполнять какие-либо действия. Активизация вируса может быть связана с различными событиями (наступлением определенной даты или дня недели, запуском программы, открытием документа и т.д.).
Компьютерный вирус — это программный код, встроенный в другую программу, или в документ, или в определенные области носителя данных и предназначенный для выполнения несанкционированных действий на несущем компьютере.
Основными типами компьютерных вирусов по «среде обитания» являются:
— программные (файловые) — блоки программного кода, целенаправленно внедренные внутрь других прикладных программ. При запуске программы, несущей вирус, происходит запуск имплантированного в нее вирусного кода, работа которого вызывает изменения в файловой системе жестких дисков, в содержании других программ. Вирусный код может воспроизводить себя в теле других программ (размножаться). Создав достаточное количество копий, программный вирус может перейти к вирусной атаке — нарушению работы программ и операционной системы, удалению информации на жестком диске. В некоторых случаях может произойти форматирование жесткого диска. Иногда программные повреждения приходится устранять заменой аппаратных средств. Программные вирусы поступают на компьютер при запуске непроверенных программ, полученных на внешнем носителе (гибкий диск, компакт-диск и т.п.) или принятых из Интернета;
— загрузочные — поражают не программные файлы, а определенные системные области магнитных носителей (гибких и жестких дисков). Кроме того, на включенном компьютере они могут временно располагаться в оперативной памяти. Обычно заражение происходит при попытке загрузки компьютера с магнитного носителя, системная область которого содержит загрузочный вирус. Далее этот компьютер сам становится источником распространения загрузочного вируса;
— макровирусы — поражают документы, выполненные в некоторых прикладных программах, имеющих средства для исполнения макрокоманд. К таким документам относятся, например, документы текстового процессора Microsoft Word (они имеют расширение .doc). Заражение происходит при открытии файла документа в окне программы, если в ней не отключена возможность исполнения макрокоманд;
— сетевые. По компьютерной сети могут распространяться любые обычные вирусы. Однако существуют и специфические сетевые вирусы, которые используют для своего распространения электронную почту и Всемирную паутину.
Интернет-черви (worm) — это вирусы, которые распространяются в компьютерной сети во вложенных в почтовое сообщение файлах.
Автоматическая активизация червя и заражение компьютера могут произойти при обычном просмотре сообщения. Опасность таких вирусов состоит в том, что они по определенным датам активизируются и уничтожают файлы на дисках зараженного компьютера.
К сетевым компьютерным вирусам примыкают и так называемые троянские кони (троянские программы, троянцы). Такие вирусы «похищают» идентификатор и пароль пользователя для доступа в Интернет и передают их на определенный почтовый адрес. В результате злоумышленники получают возможность доступа в Интернет за деньги ничего не подозревающих пользователей.
Средства антивирусной защиты. Основным средством защиты информации является резервное копирование наиболее ценных данных; резервные копии должны храниться отдельно от компьютера. Вспомогательными средствами защиты информации являются антивирусные программы, и средства аппаратной защиты.
Существует достаточно много программных средств антивирусной защиты. Они предоставляют следующие возможности:
создание образа жесткого диска на внешних носителях (например, на гибких дисках);
— регулярное сканирование жестких дисков в поисках компьютерных вирусов. При сканировании антивирусная программа ищет вирус путем сравнения кода программ с кодами известных ей вирусов, хранящимися в базе данных. Поэтому для надежной работы следует регулярно обновлять антивирусную программу;
— контроль изменения размера и других атрибутов файлов. Поскольку некоторые компьютерные вирусы на этапе размножения изменяют параметры зараженных файлов, контролирующая программа может обнаружить их деятельность и предупредить пользователя;
— контроль обращений к жесткому диску. Поскольку наиболее опасные операции, связанные с работой компьютерных вирусов, обращены на модификацию данных, записанных на жестком диске, антивирусные программы могут контролировать обращения к нему и предупреждать пользователя о подозрительной активности.
Наиболее эффективны в борьбе с компьютерными вирусами антивирусные программы. Антивирусные программы могут использовать различные принципы для поиска и лечения зараженных файлов:
— полифаги — самые популярные и эффективные антивирусные программы (например, KasperskyAnti-Virus, Dr. Web). Принцип работы полифагов основан на проверке файлов, загрузочных секторов дисков и оперативной памяти и поиске в них известных и новых (неизвестных полифагу) вирусов. Для поиска известных вирусов используются так называемые маски.
Маской вируса является некоторая постоянная последовательность программного кода, специфичная для этого конкретного вируса. Если антивирусная программа обнаруживает такую последовательность в каком-либо файле, то файл считается зараженным вирусом и подлежит лечению.
Для поиска новых вирусов используются алгоритмы «эвристического сканирования», то есть анализ последовательности команд в проверяемом объекте. Если «подозрительная» последовательность команд обнаруживается, то полифаг выдает сообщение о возможном заражении объекта.
Полифаги могут обеспечивать проверку файлов в процессе их загрузки в оперативную память. Такие программы называются антивирусными мониторами.
К достоинствам полифагов относится их универсальность. К недостаткам — большие размеры используемых ими антивирусных баз данных, которые должны содержать информацию о максимально возможном количестве вирусов, что, в свою очередь, приводит к относительно небольшой скорости поиска вирусов;
— ревизоры (например, ADinfi. Принцип работы основан на подсчете контрольных сумм для присутствующих на диске файлов. Эти контрольные суммы затем сохраняются в базе данных антивируса, как и некоторая другая информация: длины файлов, даты их последней модификации и пр.
При последующем запуске ревизоры сверяют данные, содержащиеся в базе данных, с реально подсчитанными значениями. Если они не совпадают, то ревизоры сигнализируют о том, что файл был изменен или заражен вирусом.
Недостаток ревизоров состоит в том, что они не могут обнаружить вирус в новых файлах (на дискетах, при распаковке файлов из архива, в электронной почте), поскольку в их базах данных отсутствует информация об этих файлах;
— блокировщики — это программы, перехватывающие «вирусоо-пасные» ситуации и сообщающие об этом пользователю. К таким ситуациям относится, например, запись в загрузочный сектор диска. Эта запись происходит при установке на компьютер новой операционной системы или при заражении загрузочным вирусом.
Наибольшее распространение получили антивирусные блокировщики в BIOS компьютера.
К достоинствам блокировщиков относится их способность обнаруживать и останавливать вирус на самой ранней стадии его размножения.
Защита информации:
— защита от нелегального копирования. Программная зашита для предотвращения нелегального копирования дистрибутивных дискет может состоять в применении нестандартного форматирования. Также на дискете или диске может быть размещен закодированный программный ключ, без которого программа становится непригодной к использованию и который теряется при копировании. Аппаратная защита может быть реализована с помощью аппаратного ключа, который присоединяется обычно к параллельному порту компьютера;
— защита доступа к компьютеру. Для этой цели используются пароли. Защита пользовательских настроек имеется в операционной системе Windows, однако такая защита легко преодолима. Вход по паролю может быть установлен в программе BIOS Setup; если не введен пароль, компьютер не начнет загрузку операционной системы. Преодолеть такую защиту нелегко, более того, возникнут серьезные проблемы доступа к данным, если пользователь забудет этот пароль;
— защита дисков, папок и файлов. Для них могут быть установлены определенные права доступа (полный или только чтение), причем они могут быть различными для различных пользователей;
— защита информации в Интернете. Для этого доступ к информационным ресурсам сервера (его администрирование) производится по паролю. Для предотвращения несанкционированного проникновения из Интернета в локальную сеть устанавливается программный или аппаратный барьер.