Основные задачи информатики

Лекции по курсу «Информатика» Лекция 1.1. Основные задачи информатики 1.1.1. Место информатики в современном научном знании В жизни современного человека слово «информация» очень распространено и часто используется в разных контекстах. Информацией обычно называют любые сведения, которые кого-либо интересуют, которые мы получаем или передаем. Например, мы говорим: «В результате научных исследований нами получена информация о …» или «Из книг мы информированы о …, «По телевидению была передана информация о …». Фундаментальной чертой цивилизации является рост производства и потребления информации во всех отраслях человеческой деятельности. Вся жизнь человека, так или иначе, связана с получением, накоплением, обработкой, передачей информации. Практически в любой деятельности человека: в процессе чтения книг, просмотра телепередач, в разговоре мы получаем и обрабатываем информацию. Начиная с ХVII в. объем научной информации удваивался, примерно, каждые 20 лет, в настоящее время он удваивается в 5 – 6 лет и тенденция ускорения сохраняется. Одной из важнейших проблем человечества является лавинообразный рост потока информации в любой отрасли жизнедеятельности. Подсчитано, что современный специалист должен тратить около 80% своего рабочего времени, чтобы уследить за всеми новыми работами в его области деятельности. Увеличение объема используемой человеком информации и растущий спрос на нее обусловили появление отрасли знаний, связанной с автоматизацией обработки информации – информатики. 1.1.2. Предмет и структура информатики Термин информатики получил распространение с середины 80-х г.г. прошлого века. Inform – «информация» и matic – «наука о …». Т.о., информатика – это наука об информации. В англоязычных странах используется термин Computer Science – наука о компьютерах. Информатика – это наука, изучающая: • Методы реализации информационных процессов средствами вычислительной техники (СВТ); • Состав, структуру, общие принципы функционирования; • Принципы управления СВТ. Из определения следует, что информатика – прикладная наука, использующая научные достижения многих наук. Кроме того, информатика – практическая наука, которая не только занимается описательным изучением перечисленных вопросов, но и во многих случаях предлагает способы их решения. В этом смысле информатика технологична и часто смыкается с информационными технологиями. Методы реализации информационных процессов находятся на стыке информатики с теорией информатики, статистикой, теорией кодирования, математической логикой, документоведением и т.д. В этом разделе изучаются вопросы: • Представление различных типов данных (числа, символы, текст, звук, графика, видео и т.д.) в виде, удобном для обработки СВТ.(кодирование данных); • Форматы представления данных (одни и те же данные могут быть представлены разными способами); • Структуры данных, т.е. способы хранения, с целью удобного доступа к данным. В изучении состава, структуры, принципов функционирования СВТ используются научные положения из электроники, автоматики, кибернетики. В целом этот раздел известен как аппаратное обеспечение (АО) информационных процессов. В этом разделе изучаются: • Основы построения элементов цифровых устройств; • Основные принципы функционирования цифровых вычислительных устройств; • Архитектура СВТ – основные принципы функционирования систем, предназначенных для автоматической обработки данных; • Приборы и аппараты, составляющие аппаратную конфигурацию вычислительных систем; • Приборы и аппараты, составляющие аппаратную конфигурацию компьютерных сетей. В разработке методов управления СВТ используют научные положения из теории алгоритмов, логики, теории графов, лингвистики, теории игр. Этот раздел информатики известен как программное обеспечение СВТ. В этом разделе изучается: • Средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения; • Средства взаимодействия человека с аппаратным и программным обеспечением, объединяемые понятием интерфейс; • Программное обеспечение СВТ (ПО). Обобщая сказанное, можно предложить следующую структурную схему: Информатика Информационные процессы Аппаратное обеспечение Программное обеспечение Теоретический уровень Теория кодирования Теория информации Теория графов Теория множеств Логика и др. Логика Электроника Автоматика Кибернетика И др. Теория алгоритмов Логика Теория графов Теория игр Лингвистика И др. Практический уровень Кодирование данных Форматы данных Сжатие данных Структуры данных И др. Синтез цифровых устройств Архитектура СВТ Аппараты и приборы ВС Аппараты и приборы компьютерных сетей Интерфейсы Вспомогательные программы Системы программирования Прикладные программные продукты Третья составляющая информатики – ПО неоднородна и имеет сложную структуру, включающую несколько уровней: базовый, системный, служебный, инструментальный, прикладной. Самый низкий уровень ПО представляет базовое программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. В последнее время вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируемые запоминающие устройства (ППЗУ), позволяющие изменять базовые программные средства во время эксплуатации. Изменение содержания ППЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш - технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами. Комплект программ, находящихся в ПЗУ образуют систему ввода/вывода (BIOS). Основное назначение программ этого пакета – проверка состава и работоспособности компьютерной системы и обеспечение взаимодействия с клавиатурой, монитором, жестким диском и дисководами гибких дискет и CD-ROM. Программы, входящие в BIOS позволяют наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры. На следующем уровне находятся комплексы программ, осуществляющих интерфейсные функции (посреднические между человеком и компьютером, аппаратным и программным обеспечением, между одновременно работающими программами), т.е. распределение различных ресурсов компьютера. Программы этого уровня называются системными. Любые пользовательские программы запускаются под управлением системных программ, называемых операционными системами. Следующий уровень – системное ПО. Программы этого уровня, называемые утилитами, выполняют различные вспомогательные функции. Это могут быть ремонтные или диагностические программы, используемые при обслуживании различных устройств, тестовые программы, представляющие комплекс программ технического обслуживания, архиваторы, антивирусы и т.п. Служебные программы, как правило, работают под управлением операционной системы. В некоторых классификациях системный и служебный уровни объединяются в один класс – системного ПО. Инструментальное ПО представляет комплекс программ для создания других программ. Программы инструментального ПО управляются системными программами. Прикладное программное обеспечение – самый большой по объему класс программ. Это программы конечного пользователя, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные задания. Спектр этих заданий очень широк – от производственных до творческих и развлекательно - обучающих. ППО также управляется системными программами, и имеет более высокий уровень. В настоящее время программные продукты многих фирм стали объединять в себе программные элементы из разных классов. Например, ОС Windows, являясь комплексом системных программ, в своем составе содержит блок служебных программ (дефрагментация, проверка, очистка диска и др.), а также текстовый процессор Word Pad, графический редактор Paint, принадлежащих к классу прикладных программ. 1.1.3. Цели и задачи курса "Информатика" Главная функция информатики – разработка методов и средств преобразования информации и их использовании технологического процесса переработки информации. Задачи информатики состоят в следующем: Исследование информационных процессов любой природы; Разработка информационной техники и создание новейших технологий переработки информации на базе полученных результатов исследований информационных процессов; Решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни. Информатика существует не сама по себе, а является комплексной научно - технической дисциплиной, призванной создавать новые информационные техники и технологии для решения проблем в других областях. Особенно следует выделить в информатике методы математического моделирования и методы распознавания образов, практическая реализация которых стала возможной благодаря достижениям компьютерной техники. Комплекс индустрии информатики станет ведущим в информационном обществе. Тенденция ко все большей информатизации общества в существенной степени зависит от прогресса информатики как единства науки, техники и производства. Вопросы для самоконтроля 1. Как появилась и развивалась наука «Информатика»? 2. Опишите структуру информатики. 3. Каковы главная функция и задачи информатики? Лекция 1.2. Сигналы. Данные. Информация 1.2.1. Понятия данные и информация Термин «информация» используется во многих науках и во многих сферах человеческой деятельности. Он происходит от латинского слова «informatio», «сведения, разъяснения, изложение». С точки зрения науки «Информатики», «информация» является первичным, а, следовательно, неопределенным понятием. Так же как понятия «точка» в математике, «тело» в механике, «поле» в физике. Понятию «информация» не возможно дать строгое определение, но можно описать его через проявляемые свойства. Как известно, в материальном мире все физические объекты, окружающие нас, являются либо телами, либо полями. Физические объекты, взаимодействуя друг с другом, порождают сигналы различных типов. В общем случае любой сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может иметь различные характеристики. Та из них, которая используется для представления данных, называется параметром сигнала. Если параметр сигнала принимает ряд последовательных, конечных во времени, значений, то сигнал называется дискретным. Если параметр сигнал – непрерывная во времени функция, то сигнал называется непрерывным. Сигналы, в свою очередь, могут порождать в физических телах изменения свойств. Это явление называется регистрацией сигналов. Сигналы, зарегистрированные на материальном носителе, называются данными. Существует большое количество физических методов регистрации сигналов на материальных носителях. Это могут быть механические воздействия, перемещения, изменения формы или магнитных, электрических, оптических параметров, химического состава, кристаллической структуры. В соответствии с методами регистрации, данные могут храниться и транспортироваться на различных носителях. Наиболее часто используемый и привычный носитель – бумага; сигналы регистрируются путем изменения ее оптических свойств. Сигналы могут быть зарегистрированы и путем изменения магнитных свойств полимерной ленты с нанесенным ферромагнитным покрытием, как это делается в магнитофонных записях, и путем изменения химических свойств в фотографии. Данные несут информацию о событии, но не являются самой информацией, так как одни и те же данные могут восприниматься (отображаться или интерпретироваться) по-разному. Например, текст, написанный на русском языке (т.е. данные), даст различную информацию человеку, знающему алфавит и язык, и человеку, не знающему их. Чтобы получить информацию, имея данные, к ним необходимо применить методы, которые преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Методы, в свою очередь, тоже различны. Например, человек, знающий язык и алфавит, применяет адекватный метод, читая русский текст. Соответственно, человек, не знающий русского языка и алфавита, применяет неадекватный метод, пытаясь понять русский текст. Таким образом, можно считать, что информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных методов. Или иными словами: информация – это используемые данные. Информация не является статическим объектом, она появляется и существует в момент слияния методов и данных, а все прочее время она находится в форме данных. Момент слияния данных и методов называется информационным процессом (рис. 1.1). Человек воспринимает первичные данные различными органами чувств (их у нас пять – зрение, слух, осязание, обоняние, вкус), и на их основе сознанием могут быть построены вторичные абстрактные (смысловые, семантические) данные. Взаимо- Регистрация действия сигналов Методы Рис. 1.1. Формирование информации Т.о. первичная информация может существовать в виде рисунков, фотографий, звуковых, вкусовых ощущений, запахов. Вторичная – в виде чисел, символов, текстов, чертежей, радиоволн, магнитных записей. 1.2.2. Свойства информации Понятие «информация» имеет большое количество разнообразных свойств, но для дисциплины информатика наиболее важными являются следующие свойства: 1. Дуализм характеризуется двойственностью информации. С одной стороны, информация объективна в силу объективности данных. С другой стороны – субъективна, в силу субъективности применяемых методов. Иными словами, методы могут вносить в большей или меньшей степени субъективный фактор и т.о. влиять на информацию в целом. Например, два человека читают одну и ту же книгу и получают подчас весома разную информацию, хотя прочитанный текст, т.е. данные, были одинаковы. Более объективная информация применяет методы с меньшим субъективным элементом. 2. Полнота информации характеризует степень достаточности данных для принятия решения или создания новых данных на основе имеющихся. Неполный набор данных оставляет большую долю неопределенности, т.е. большое число вариантов выбора, а это потребует применения дополнительных методов, например, экспертных оценок, бросания жребия и т.п. Избыточный набор данных затрудняет доступ к нужным данным, создает повышенный информационный шум, что также вызывает необходимость дополнительных методов, например, фильтрацию, сортировку. И неполный и избыточный наборы данных затрудняют получение информации и принятие адекватного решения. 3. Достоверность – это свойство, характеризующее степень соответствия информации реальному объекту с необходимой точностью. Измеряется достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, т.е. вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности. 4. Адекватность информации выражает степень соответствия создаваемого на основе информации образа реальному объекту, процессу, явлению. Адекватность информации может выражаться в трех формах: ◦ Синтаксическая адекватность отображает формально-структурные характеристики информации и не затрагивает ее смыслового содержания. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации, надежность и точность преобразования этих кодов и т.п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, обычно называют данными, т.к. при этом не имеет значения смысловая сторона. Эта форма способствует восприятию внешних, структурных характеристик; ◦ Семантическая (смысловая) адекватность определяет степень соответствия образа объекта и самого объекта и предполагает учет смыслового содержания информации. Эта форма служит для формирования понятий и представлений, выявления смысла, содержания информации и ее обобщения; ◦ Прагматическая (потребительская) адекватность отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе реализуется. Прагматические свойства информации проявляются только при наличии единства информации (объекта), пользователя и цели управления. Прагматический аспект рассмотрения связан с ценностью, полезностью использования информации при выработке потребителем решения для достижения своей цели. 5. Доступность информации, Информация должно быть доступна восприятию пользователя. Доступность обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Например, в ИС информация преобразовывается к доступной и удобной для восприятия пользователя форме. 6. Актуальность информации. Информация существует во времени, т.к. существуют во времени все информационные процессы. Информация, актуальная сегодня, может стать совершенно ненужной по истечении некоторого времени. Например, программа телепередач на нынешнюю неделю будет неактуальна для многих телезрителей на следующей неделе. 1.2.3. Понятие количества информации Свойство полноты информации предполагает, что имеется возможность измерять количество информации. Какое количество информации содержится в книге или популярной песенке? Что содержит больше информации роман «Война и мир» или сообщение, полученное от товарища? Ответы на подобные вопросы не просты и не однозначны, т.к. во всякой информации присутствует субъективная компонента. А возможно ли вообще объективно измерить количество информации? Важнейшим результатом теории информации является вывод о том, что в определенных, весьма широких условиях, можно, пренебрегая качественными особенностями информации, выразить ее количество числом, а следовательно, сравнивать количество информации, содержащейся в различных группах данных. Количеством информации называют числовую характеристику информации, отражающую степень неопределенности, которая исчезает после получения информации. Пример, Дома осенним утром старушка предположила, что могут быть осадки, а могут и не быть, а если будут, то в форме снега или в форме дождя, т.е. «бабушка надвое сказала – то ли будет, то ли нет, то ли дождик, то ли снег». Затем, выглянув в окно, увидела пасмурное небо и с большой вероятностью предположила – осадки будут, то есть, получив информацию, снизила количество вариантов выбора. Далее, взглянув на термометр, она увидела, что температура отрицательная, значить осадки следует ожидать в виде снега. Т.о., получив последние данные о температуре, бабушка получила полную информацию о предстоящей погоде и исключила все, кроме одного, варианты выбора. Данный пример показывает, что понятия «информация», «неопределенность», «возможность выбора» тесно связаны. Полученная информация уменьшает число возможных вариантов выбора (т.е. неопределенность), а полная информация не оставляет вариантов вообще. За единицу информации принимается один бит (binary digit – двоичная цифра). Это количество информации, при котором неопределенность, т.е. количество вариантов выбора, уменьшается вдвое или, другими словами, это ответ на вопрос, требующий односложного разрешения – да или нет. Бит – слишком мелкая единица измерения информации. На практике, чаще применяются более крупные единицы, например, байт – последовательность из восьми бит. Именно восемь бит, или один байт, используется для того, чтобы закодировать символы алфавита, клавиши клавиатуры компьютера. Один байт также является минимальной единицей адресуемой памяти компьютера, т.е. обратиться в память можно к байту, а не биту. Широко используются еще более крупные производные единицы информации: 1 байт = 8 бит 1 Кбайт = 1024 байт 1 Мбайт = 1024 Кбайт 1 Гбайт = 1024 Мбайт 1 Тбайт = 1024 Гбайт. Вопросы для самоконтроля 1. Что называется информацией? 2. В чем различие информации и данных? 3. Что такое адекватность информации, и в каких формах она проявляется? 4. Какие показатели качества информации вы знаете? 5. Как и чем измеряется информация? Лекция 1.3. Информационный процесс. Основные операции с данными 1.3.1. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации Получение информации тесно связано с информационными процессами. Рассмотрим их виды. Сбор данных – это деятельность субъекта по накоплению данных с целью обеспечения достаточной полноты. Соединяясь с адекватными методами, данные рождают информацию, способную помочь в принятии решения. Например, интересуясь ценой товара, его потребительскими свойствами, мы собираем информацию для того, чтобы принять решение: покупать или не покупать его. Передача данных – это процесс обмена данными. Предполагается, что существует источник информации, канал связи, приемник информации, и между ними приняты соглашения о порядке обмена данными, эти соглашения называются протоколами обмена. Например, в обычной беседе между людьми негласно принимается соглашение, не перебивать друг друга во время разговора. Хранение данных – это поддерживание данных в форме, постоянно готовой к выдаче их потребителю. Одни и те же данные могут быть востребованы не однажды, поэтому разрабатывается способ их хранения (обычно на материальных носителях) и методы доступа к ним по запросу потребителя. Обработка данных – это процесс преобразования информации от исходной ее формы до определенного результата. Сбор, накопление, хранение информации часто не являются конечной целью информационного процесса. Чаще первичные данные привлекаются для решения какой-либо проблемы, затем они преобразуются шаг за шагом в соответствии с алгоритмом решения задачи до получения выходных данных, которые после анализа пользователем предоставляют необходимую информацию. Лекция 1.4. Системы счисления 1.4.1. Понятие системы счисления, как способа представления чисел Система счисления – принятый способ записи чисел и сопоставления этим записям реальных значений. Все системы можно разделить на два класса: позиционные и непозиционные. Для записи чисел в различных системах счисления используется некоторое количество отличных друг от друга знаков. Число таких знаков в позиционной системе счисления называется основанием системы счисления. Таблица 1. Некоторые системы счисления Основание Система счисления Знаки 2 Двоичная 0,1 3 Троичная 0,1,2 4 Четвертичная 0,1,2,3 5 Пятеричная 0,1,2,3,4 … … … 8 Восьмеричная 0,1,2,3,4,5,6,7 10 Десятичная 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 12 Двенадцатеричная 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B 16 Шестнадцатеричная 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A ,B,C,D,E,F В позиционной системе счисления число может быть представлено в виде суммы произведения коэффициентов на степени основания системы счисления: AnAn-1An-2…A1A0,A-1A-2…=An*Bn + An-1*Bn-1 + An-2*Bn-2 + … + A1*B1 + A0*B0 + A-1*B-1 + A-2*B-2 + … (здесь знак «точка» отделяет целую часть от дробной; знак «звездочка» используется для обозначения операции умножения; B – основание системы счисления; A – коэффициенты). Таким образом, значение каждого знака в числе зависит от позиции, которую занимает знак в записи числа. Именно поэтому такие системы счисления называют позиционными (система счисления обозначается индексом в скобках справа от числа). Примеры: 23,43(10)= 2*101 + 3*100 + 4*10-1 + 3*10-2 = 23,43(10) 692(10) = 6*102 + 9*101 + 2*100 = 692(10) 1101(2)= 1*23 +1*22 + 0*21 + 1*20 = 13(10) 112(3) = 1*32 + 1*31 + 2*30 = 13(10) 341,5(8) = 3*82 + 4*81 + 1*80 + 5*8-1 =225,625(10) A1F,4(16) = A*162 + 1*161 + F*160 + 4*16-1 = 2591,25(10). Кроме позиционных систем счисления существуют такие, в которых значение знака не зависит от того места, которое он занимает в числе. Такие системы счисления называются непозиционными. Наиболее известным примером непозиционной системы является римская. В этой системе используется 7 знаков (I, V, X, L, C, D, M), которые соответствуют следующим величинам: I (1), V(5), X (10), L (50), C (100), D (500), M (1000). 1.4.2. 10-ая, 2-ая, 8-ая и 16-ая системы как примеры позиционных систем При работе с компьютером приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисления (чаще всего двоичную – т.к. внутреннее представление информации в компьютере является двоичным, десятичную – т.к. мы привыкли к этой системе со школы и шестнадцатеричную – для сокращения записи чисел). Поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую. Обратите внимание, что во всех приведенных примерах результат является десятичным числом. Таким образом, представляя число в виде суммы произведений коэффициентов на степени основания, можно перевести число из любой системы счисления в десятичную. Целая и дробная части десятичного числа переводятся порознь. Чтобы перевести целую часть числа из десятичной системы счисления в систему с основанием В, необходимо разделить ее на В. Остаток даст младший разряд числа. Полученное при этом частное необходимо вновь разделить на В – остаток даст следующий разряд числа и т.д. Деление производят до тех пор, пока частное от деления не станет меньше основания В. Последнее частное, будет самым старшим разрядом числа. Примеры: Остаток 25:2=12 (1) 12:2=6 (0) 6:2=3 (0) 3:2=1 (1) Значения получившихся остатков, взятые в обратной последовательности, образуют искомое двоичное число. Таким образом, 25(10) = 11001(2) 125(10)X(8) = 175(8) 125:8=15 (5) 15:8=1 (7) 1234(10) Х(16) =4DC(16) 1234:16=77 (12) С 77:16=4 (13) D Для перевода дробной части ее необходимо умножить на В. Целая часть полученного произведения будет первым (после запятой) знаком. Дробную же часть произведения необходимо вновь умножить на В. Целая часть полученного числа будет следующим знаком после запятой и т.д. до нужного количества знаков после запятой. Например: 0,73*2=1,46 (целая часть 1), 0,46*2=0,92 (целая часть 0), 0,92*2=1,84 (целая часть 1), 0,84*2=1,68 (целая часть 1) и т.д. В итоге 0,73(10) = 0,1011…(2). С точки зрения изучения принципов представления информации, в компьютере системы счисления представляют большой интерес. Хотя компьютер «знает» только двоичную систему счисления, часто с целью уменьшения количества записываемых на бумаге или вводимых с клавиатуры знаков бывает удобнее пользоваться восьмеричными или шестнадцатеричными числами. С практической точки зрения представляет интерес процедура взаимного преобразования двоичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел. Для этого используется таблица соответствия чисел в различных системах счисления (Таблица 2). Таблица 2. Соответствие чисел в различных системах счисления Десятичная Восьмеричная Шестнадцатеричная Двоичная 1 1 1 1 2 2 2 10 3 3 3 11 4 4 4 100 5 5 5 101 6 6 6 110 7 7 7 111 8 10 8 1000 9 11 9 1001 10 12 A 1010 11 13 B 1011 12 14 C 1100 13 15 D 1101 14 16 E 1110 15 17 F 1111 Для перевода целого двоичного числа и восьмеричное необходимо разбить его справа налево на группы по 3 цифры (двоичные триады). Самая левая группа может содержать менее трех двоичных цифр. Затем каждой группе поставить в соответствие ее восьмеричный эквивалент. Например: 11011001(2) = 11 011 001(2) = 331(8). Перевод целого двоичного числа в шестнадцатеричное производится аналогично путем разбиения данного числа на группы по четыре цифры (двоичные тетрады): 1100011011001(2)= 1 1000 1101 1001(2)=18D9(16). Для перевода дробных частей двоичных чисел в восьмеричную или шестнадцатеричную системы аналогичное разбиение на триады или тетрады производится от точки вправо (с дополнением недостающих последних цифр нулями): 0,1100011101(2)=0,110 001 110 100(2)=0,6164(8) 0,1100011101(10)=0,1100 0111 0100(2)=0,С74(16). Перевод восьмеричных (шестнадцатеричных) чисел в двоичные производится обратным путем – сопоставлением каждому знаку числа соответствующей тройки (четверки) двоичных цифр. Перевод восьмеричных в шестнадцатеричные числа и наоборот производится с использованием двоичной или десятичной системы в качестве промежуточной. 1.4.3. Арифметические операции над двоичными числами Над числами, записанными в любой системе счисления можно производить различные арифметические операции. Так, для сложения и умножения двоичных чисел необходимо использовать следующие таблицы: Таблицы сложения и умножения в двоичной системе + 1 1 1 1 10 Заметим, что при двоичном сложении 1 + 1 возникает перенос единицы в старший разряд – точь-в-точь как в десятичной арифметике: 1001 1001 + 11 * 11 = 1100 1001 + 1001 = 11011 Вопросы для самоконтроля 1. Что понимается под системой счисления? 2. Какие системы счисления вы знаете? 3. В чем отличие позиционной системы счисления от непозиционной ? 4. Какие системы счисления используются в вычислительной технике, и в чем заключается преимущество их использования? 5. Что называется основанием системы счисления? 6. Каковы способы перевода чисел из одной системы счисления в другую? 7. Как выглядят таблицы сложения и умножения в двоичной системе счисления? Лекция 1.5. Единицы представления, измерения и хранения данных 1.5.1. Представление чисел в двоичном коде Представление чисел в памяти компьютера имеет специфическую особенность, связанную с тем, что в памяти компьютера они должны располагаться в байтах – минимальных по размеру адресуемых ячейках памяти. Вся память компьютера разбита на отдельные участки и 8 бит (т.е. на байты). Байты имеют номера: 0, 1, 2, …, называемые адресами. Два соседних участка: 0 и 1, 2 и 3 и т.д. образуют ячейку памяти ЭВМ. Т.е. одна ячейка памяти может хранить два байта или 16 битов информации. Для содержимого одной ячейки используют название – «машинное слово» или просто «слово». Очевидно, адресом числа считается адрес первого байта, т.е. четные числа, начиная с 0, 2, 4, 6 и т.д. В байте может содержаться произвольный код из восьми двоичных разрядов, и задача представления состоит в том, чтобы указать правила, как в одном или нескольких байтах записать число. Числа могут быть целые точные, дробные точные, рациональные, иррациональные, дробные приближенные, положительные и отрицательные. Числа могут быть «карликами» (например, масса атома), «гигантами» (например, масса земли), реальными (например, количество студентов в группе, рост, возраст). И каждое из чисел потребует для оптимального представления в памяти свое количество байтов. Единого оптимального представления для действительных чисел создать невозможно. Поэтому множества чисел разделили на типы (например, целые в диапазоне от … до …, приближенные с плавающей точкой с количеством значащих цифр … и т.д.). Для каждого в отдельности типа создается собственный способ представления. Целые числа. Целые положительные числа от 0 до 255 можно представить непосредственно в двоичной системе счисления (двоичном коде). Такие числа будут занимать один байт в памяти компьютера. Числа Двоичный код 00000000 1 00000001 2 00000010 3 00000011 … …….. 255 11111111 В такой форме представления на компьютере легко реализуется двоичная арифметика. Знак числа «плюс» или «минус» кодируется отдельным битом. Обычно это старший бит. ноль интерпретируется, как «плюс», единица - как «минус». Таким образом, одним байтом могут быть закодированы целые числа в интервале от –128 до +127. Двоичная арифметика при этом будет несколько усложнена, т.к. в этом случае существуют два кода, изображающих число ноль 00000000 и 100000000. В компьютере на аппаратном уровне это необходимо предусмотреть. Данный способ представления целых чисел называется прямым кодом. С отрицательными числами несколько проще, если использовать дополнительный код. В дополнительном коде положительные числа совпадают с положительными числами в прямом коде, отрицательные же числа получаются в результате вычитания из 100000000 соответствующего числа. Например, число –3 получит код: _100000000 00000011 11111101 В дополнительном коде хорошо реализуется арифметика. Каждый последующий код получается из предыдущего прибавлением единицы с точностью до бита в девятом разряде. Например, 5 – 3 = 5 + (-3) 00000101 +11111101 100000010 Отбрасывая подчеркнутый старший разряд, получим 2. Аналогично целые числа от 0 до 65536 и целые числа от –32768 до 32767 в двоичной (шестнадцатеричной) системе счисления представляются в двухбайтовых ячейках. Существуют представления целых чисел и в четырехбайтовых ячейках. Действительные числа. Действительные числа в математике представляются конечными или бесконечными дробями, т.е. точность представления чисел не ограничена. Однако, в компьютере числа хранятся в регистрах и ячейках памяти, которые представляют собой последовательность байтов с ограниченным количеством разрядов. Следовательно, бесконечные или очень длинные числа усекаются до некоторой длины и в компьютерном представлении выступают как приближенные. В большинстве систем программирования целая и дробная части в написании действительных чисел разделяются не запятой, а точкой. Для представления действительных чисел, как очень маленьких, так и очень больших, удобно использовать форму записи чисел в виде произведения: X = mqp , Где m- основание системы счисления; P – целое число, называемое порядком. Такой способ записи чисел называется представлением числа с плавающей точкой. Т.е. число 1234,56 может быть записано: 1234,56 = 123,456*101 = 12,3456*102 = 1,23456*103 = 0,123456*104. Такое представление не однозначно. Если мантисса (0,1 для десятичной С.С.), то представление числа становится однозначным, а такая форма называется нормализованной. Если «плавающая» точка расположена в мантиссе перед первой значащей цифрой, то при фиксированном количестве разрядов, отведенных под мантиссу, обеспечивается запись максимального количества значащих цифр числа, т.е., максимальная точность. Действительные числа в компьютерах различных типов записываются по-разному, но существует несколько стандартных международных форматов, различающихся по точности, но имеющих одинаковую структуру. Рассмотрим на примере 4 байтного числа. 32 31 30 24 23 22 21 2 Смещенный порядок Мантисса Знак мантиссы Первый разряд представления используется для записи знака мантиссы. За ним – группа разрядов, определяющих порядок, а остальные разряды определяют абсолютную величину мантиссы. Размеры обеих групп разрядов фиксируются. Т.к. порядок может быть положительным или отрицательным, нужно решить проблему его знака. Величина порядка представляется с избытком, т.е., вместо истинного значения порядка хранится число, называемое характеристикой (или смещенным порядком). Для получения характеристики надо к порядку прибавить смещение. Например, при использовании для хранения порядка восьми бит и значений от –128 до +127 используется смещение 128. Тогда для представления порядка будут использоваться значения от 0 до 255, т.е. только неотрицательные числа. Т.к. мантисса нормализованного числа всегда равна 1, некоторые схемы представления ее лишь подразумевают, используя лишний разряд для повышения точности представления мантиссы. Использование смещенной формы позволяет производить операции над порядками, как над без знаковыми числами, что упрощает операции сравнения, сложения и вычитания порядков. А также упрощает операцию сравнения самих нормализованных чисел. Чем больше разрядов отводится под запись мантиссы, тем выше точность представления числа. Чем больше разрядов занимает порядок, тем шире диапазон от наименьшего, отличного от нуля числа до наибольшего числа, представимого в компьютере при заданном формате. Как и в случае целых чисел, в программных системах могут использоваться несколько типов данных, реализующих модель с плавающей точкой. Например, в языке СИ применяются три типа данных с разной «длиной». Шестнадцатиразрядные компиляторы для IBM-совместимых ПК реализуют эти типы следующим образом: Float – 4 байта, из них 23 разряда мантиссы и 8 битов порядка (от 3,4*10-38 до 3,4*1038, обеспечивает точность с 7 значащими цифрами); Double – 8 байтов, из них 52 разряда мантиссы и 11 битов порядка (от 1,7*10-308 до 1,7*10308, обеспечивает точность с 15 знаками); Long double – 10 байтов, из них 65 разрядов мантиссы и 14 битов порядка (от 3,4 * 10-4932, обеспечивает точность с 19 знаками). Понятие типа данных. Мы уже говорили, что минимально адресуемой единицей памяти является байт, но представление числа требует большего объема. Такие числа займут группу байт, а адресом числа будет адрес первого байта группы. Следовательно, произвольно взятый из памяти байт ничего не скажет о том, частью какого информационного объекта от является – целого числа,числа с плавающей точкой или командой. Отсюда можно сделать вывод, что кроме задачи представления данных в двоичном коде, параллельно решается обратная задача – интерпретации кодов, т.е. как из кодов восстановить первоначальные данные. Для представления основных видов информации (числа целые, числа с плавающей точкой, символы, звук и т.д.) в системах программирования используют типы данных. Каждый тип данных определяет логическую структуру представления и интерпретации для соответствующих данных. 1.5.2. Представление символьных и текстовых данных Тесты являются важнейшим источником информации. Именно такой характер имеют экономические, плановые, учетные данные, представленные на естественном или искусственном языке. Каждый язык использует свою знаковую систему, основанную на алфавите. Письменность можно рассматривать как метод представления на материальных носителях знаков звуковой системы разговорного языка. Рассмотрим, как кодируются символы, элементы текстов, текстовые документы. Символы. Двоичное кодирование символьных данных производится заданием кодовых таблиц, согласно которым каждому символу ставят в соответствие одно – или двухбайтовый код. Помимо этого, кодовая таблица ставит в соответствие кодам клавиши на клавиатуре и начертание символа на кране монитора. Кодовые таблицы разрабатывались в разных странах в разные времена. Поэтому, как правило, в одном языке существуют несколько кодовых таблиц, что осложняет обратную задачу интерпретации кодов. Наиболее популярная таблица ASCII разработана институтом стандартизации США в 1981 г. Ее использовали, в частности, программные продукты, работающие под управлением ОС MS DOS. Для представления одного символа используется один байт (8 бит), т.е. кодовая таблица описывает 28 = 256 различных кодов. Коды с 0 до 127 составляют базовую таблицу; коды со 128 по 255 – расширенную (дополнительную) таблицу. В основной таблице располагаются управляющие команды для принтеров (коды 0 – 31 «перевод строки», «возврат каретки», им не соответствуют символы), затем спец. символы, знаки арифметических действий и знаки препинания, цифры, латинские буквы – прописные и строчные. Дополнительная таблица отдана национальным алфавитам, символам псевдографики (с помощью которых форматируются таблицы). Позднее, при разработке ОС Windows, была создана кодовая таблица Windows – 1251, в которой базовая таблица осталась прежней, а расширенная изменилась. В целом, существование в нашей стране нескольких кодовых таблиц порождает задачу межсистемного преобразования данных. Во многих странах Азии 256 кодов явно не хватает. В 1991 г. производители программных продуктов (Microsoft, IBM, Apple) и стандартизаторы пришли к соглашению о выработке единого стандарта ISO 10646-1 ( он же Unicode 3.0). Код построен по 31-битной схеме, но используются только два байта для кодирования одного символа. Два байта (16 бит) создают 216 = 65536 кодов, которые описывают цифры, буквы латинского и многих национальных алфавитов, спец. Символы, знаки арифметических операций и т.д. Все текстовые документы в этой кодировке вдвое длиннее, что сначала задерживало ее внедрение, но современных уровень технических средств дает такую возможность. В настоящее время, текстовый процессор Word, начиная с версии Word 8.0 (Microsoft Office 97), использует шрифты Unicode 3.0. Текстовые строки. Текстовая (символьная) строка – это конечная последовательность символов. Это может быть осмысленный текст или произвольный набор, короткое слово или целая книга. Длина символьной строки – это количество символов в ней. Записывается в память символьная строка двумя способами: либо число, обозначающее длину текста, затем текст, либо текст, а затем разделитель строк. Текстовые документы. Текстовые документы используются для хранения и обмена данными в ИС, но сплошной, не разбитый на логические фрагменты текст воспринимается тяжело. Структурирование текста достигается форматированием – специфическим расположением текста при подготовке его к печати. Для анализа структуры текста были разработаны языки разметки, которые вместе с основным текстом записывают в текстовом формате текстовые метки (маркеры и теги), используемые для обозначения частей документа. 1.5.4. Представление звуковых данных Звук – это упругая продольная волна в воздушной среде. Чтобы ее представить в виде, читаемом компьютером, необходимо выполнить следующие преобразования (рис. 1.5.1). Звуковой сигнал преобразовать в электрический аналог звука с помощью микрофона. Электрический аналог получается в непрерывной форме и непригоден для обработки на цифровом компьютере. Чтобы перевести сигнал в цифровой код, надо пропустить его через аналого-цифровой преобразователь (АЦП). При воспроизведении происходит обратное преобразование – цифро – аналоговое (ЦАП). АЦП и ЦАП находятся в звуковой карте компьютера. Токовый аналог Дискретизация Обработка звука двоичного кода кода Упругая волна в воздушной среде U U t t Рис. 1.5.1. Схема обработки звукового сигнала Во время оцифровки сигнал дискретизируется по времени и по уровню. Дискретизация по времени выполняется следующим образом: весь период времени Т разбивается на малые интервалы времени , точками t1, t2, …, tn. Предполагается, что в течение интервала уровень сигнала изменяется незначительно и может с некоторым допущением считаться постоянным. Величина = называется частотой дискретизации. Она измеряется в герцах. (Гц) – количество измерений в течение сек. Дискретизация по уровню называется квантованием и выполняется так: область измерения сигнала от самого малого значения X min до самого большого X max разбивается на N равных квантов, промежутков величиной точками х1, х2, … , хn, xi = Xmin + Каждый квант связывается с его порядковым номером, т.е. целым числом, которое легко может быть представлено в двоичной С.С. Если сигнал после дискретизации по времени попадает в промежуток xi-1, то ему в соответствие ставиться код i. Теорема Найквиста утверждает, что, если сигнал оцифрован с частотой , то высшая «слышимая» частота будет не более . Число уровней подбирается так, чтобы звук не имел высокого уровня шума и «электронного» оттенка звучания. Число уровней берется как 2n. Чтобы измерение занимало целое число байт, выбирают n=8 или n=16, т.е. один или два байта. Высокое качество воспроизведения получается в формате лазерного аудиодиска при следующих параметрах оцифровки: частота дискретизации – 44,1 Гц, квантование – 16 бит, т.е. . Т.о. 1 сек стерео звука займет 2 байт * 44100 байт/с * 2 кан. * 1 с = 176400 байт дисковой памяти. При этом качество звука получается очень высоким. Для телефонных переговоров удовлетворительное качество получается при частоте дискретизации 8 кГц и частоте квантования 255 уровней, т.е. 1 байт, при этом 1 сек звуковой записи, займет на диске 1 байт * 8000 байт/с * 1 с = 8000 байт. 1.5.7. Представление графических данных. Понятие растровой и векторной графики Изображения представляются двумя способами. 1. Графические объекты создаются как совокупности линий, векторов – называется векторной графикой. 2. Графические объекты формируются в виде множества точек (пикселей) разных цветов и разных яркостей, распределенных по строкам и столбцам – называется растровой графикой. Модель RGB. Чтобы оцифровать цвет, его надо измерить. Немецкий ученый Гросман сформулировал три закона смешения цветов: 1. Закон трехмерности – любой цвет может быть представлен комбинацией трех основных цветов; 2. Закон непрерывности – к любому цвету можно подобрать бесконечно близкий; 3. Закон аддитивности – цвет смеси зависит только от цвета составляющих. За основные три цвета приняты красный (Red), зеленый (Green), синий (Blue). В модели RGB любой цвет получается в результате сложения основных цветов. Каждый составляющий цвет при этом характеризуется своей яркостью, поэтому модель называется аддитивной. Эта схема применяется для создания графических объектов в устройствах, излучающих свет – телевизорах, мониторах. Модель CMYK. В полиграфических системах напечатанный на бумаге графический объект сам не излучает световых волн. Изображение формируется на основе отраженной волны от окрашенных поверхностей. Окрашенные поверхности на которые падает белый свет (т.е. сумма всех цветов), должны поглотить (т.е. вычесть) все составляющие цвета, кроме того, цвет которого мы видим. Цвет поверхности можно получить красителями, которые поглощают, а не излучают. Например, если мы видим зеленое дерево, то это означает, что из падающего белого цвета (т.е. суммы красного, зеленого, синего), поглощены синий и красный, а зеленый отражен. Цвета красителей должны быть дополняющими: голубой Cyan = B + G), дополняющий красного; пурпурный (Magenta = R + G), дополняющий зеленого; желтый (Yellow = R + G), дополняющий синего. Т.к. цветовые красители по отражающим свойствам не одинаковы, то для повышения контрастности применяется еще черный (Black). Модель CMYK названа по первым буквам слов Cyan, Magenta, Yellow и последней букве Black. Т.к. цвета вычитаются, модель называется субстрактивной. Оцифровка изображения. При оцифровке изображение с помощью объектива проецируется на светочувствительную матрицу m строк и n столбцов, называемую растром. Каждый элемент матрицы – мельчайшая точка, при цветном изображении состоящая из трех светочувствительных (т.е. регистрирующих яркость) датчиков красного, зеленого, желтого цвета. Далее оцифровывается яркость каждой точки по каждому цвету последовательно по всем строкам растра. Если для кодирования яркости каждой точки использовать по одному байту (8 бит) на каждый из трех цветов (3 * 8 = 24 бита), то система обеспечит представление 224 16,7 млн. распознаваемых цветов, что близко цветовосприятию человеческого зрения. Режим представления цветной графики двоичным кодом из 24 разрядов называется полноцветным или True Color. Графические данные, также как и звуковые, занимают очень большие объемы на носителях. Например, если экран монитора имеет растр 800 х 600 точек, изображение, представленного в режиме True Color, займет 800 х 600 х 3 = 1440000 байт. Если не требуется высокое качество отображения цвета, применяют режим High Color, который кодирует одну точку растра 2 байтами (16 разрядов дают 216 65,5 тысячи цветов). Режим, который при кодировании одной точки растра использует один байт, называется индексным, в нем различаются 256 цветов. Этого не достаточно, чтобы передать весь диапазон цветов. Код каждой точки при этом выражает собственно не цвет, а некоторый номер цвета (индекс) из таблицы цветов, которая называется палитрой. Палитра прикладывается к файлам с графическими данными и используется при воспроизведении изображения. Графическими форматами файлов являются .TIFF, .GIF, .JPG, .BMP, JPEG. 1.5.8. Структуры данных Автоматизированная обработка больших объемов данных становится проще, если данные упорядочены (структурированы). Применяются следующие структуры данных: Линейная структура данных (список) – это упорядоченная структура, в которой адрес данного однозначно определяется его номером (индексом). Пример: список учебной группы, дома, стоящие на одной улице. В списках, как известно, новый элемент начинается с новой строки. Если элементы располагаются в строчку, то вводится разделительный знак между элементами. Поиск осуществляется по разделителям (например, чтобы найти десятый элемент, надо отсчитать девять разделителей). Если элементы списка одной длины, структура называется вектором данных, разделители не требуются. При длине одного элемента d, зная номер элемента n, его начало определяется соотношением d(n-1). Табличная структура данных – это упорядоченная структура, в которой адрес данного однозначно определяется двумя числами – номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка с исходным элементом. Если элементы располагаются в строчку, вводятся два разделительных знака – между элементами строки и между строками. Поиск, аналогично линейной структуре осуществляется по разделителям. Если элементы таблицы одной длины, структура называется матрицей данных, разделители в ней не требуются. При длине одного элемента d, зная номер строки m и номер столбца n, а также строк и столбцов M, N, найдем адрес его начала: d[N(m – 1) + (n – 1)]. Таблица может быть трехмерной, тогда три числа характеризуют положение элемента, а может быть n – мерной. Мой компьютер Диск С: Диск D: Диск H: Program files Папка 1 Папка 2 … MS Office Стандартные … MS Word MS Excel … Иерархическая структура – это структура, в которой адрес каждого элемента определяется путем (маршрутом доступа), идущим от вершины структуры к данному элементу. Иерархическую структуру образуют, например, почтовые адреса, файловая система компьютера: Линейная и табличная структуры более просты, чем иерархическая , но, если в линейной структуре появляется новый элемент, то упорядоченность сбивается. Например, если в списке студентов появляется новый человек, расположенный по алфавиту список нарушается. В иерархической структуре введение нового элемента не нарушает структуры дерева. Недостатком является трудоемкость записи адреса и сложность упорядочивания. H:\Stud\tsi11\Ivanov\Text\my_file.doc Россия \ Ростовская область \ Ростов – на – Дону \ ул. Б. Садовая \дом 1\кв. 11 1.5.9. Хранение данных При хранении данных решаются две задачи: • как сохранить данные; • как обеспечить быстрый удобный доступ к ним. В компьютерных технологиях единицей хранения данных является объект переменной длины, называемый файлом. Файл – это поименованная область на внешнем носителе, содержащая данные определенной длины, обладающая собственным именем. Современные файлы могут содержать данные различных типов. Например, в текстовом файле могут содержаться графические вставки, таблицы и пр. Имя файла фактически несет в себе адресные функции в иерархических структурах. Имя файла может иметь расширение, в котором хранятся сведения о типе данных. При автоматической обработке по типу файла может запускаться приложение (программа), работающее с ним. Для доступа к файлам, которых на жестком диске может быть сотни тысяч, используется определенное ПО, предназначенное для централизованного управления данными. Системы управления данными называются файловыми системами. Именно файловая система решает задачи распределения внешней памяти, отображение имен файлов в соответствующие адреса во внешней памяти и обеспечение доступа к данным. Благодаря этому, работа с файлами во многом стала напоминать работу с обычными документами. Информация любого типа хранится в виде файлов, выступающих в роли логически завершенных совокупностей данных. Для пользователя файл является основным и неделимым элементом хранения данных, который можно найти, изменить, удалить, сохранить или переслать, но только целиком. С физической точки зрения, файл – это всего лишь последовательность байтов. Способ использования или отображения этой последовательности определяется типом файла – текстовый, звуковой, исполняемый модуль программы и т.п. Для хранения различных видов информации необходимо использовать по-разному устроенные файлы. Способ организации данных (структура файла) называется форматом. Файловая система – это часть ОС компьютера и поэтому всегда несет на себе отпечаток свойств конкретной ОС. Некоторые форматы файлов стандартизированы и должны поддерживаться любой ОС и работающими в ней приложениями (например, графические файлы .GIF или JPEG). Наряду с этим всегда имеются форматы, специфичные только для данной системы (например, исполняемые файлы MS DOS или Windows). Есть форматы, разработанные для конкретных приложений, работающих под управлением данной ОС (например, формат .xls, используемый MS Excel). В некоторых случаях при разработке приложений программистам приходится создавать новые форматы. Структура файла может быть простой. Например, текст может сохраняться в виде последовательности байтов, прямо соответствующих формату ASCII. Но в большинстве случаев вместе с данными приходится сохранять и дополнительную информацию. Например, особенности форматирования текста (размеры символов, шрифты и т.п.). Процесс форматирования можно рассматривать, как процедуру придания некоторых свойств фрагменту текста. Поэтому, для сохранения форматирования нужно иметь два типа кодов, для обозначения блока текста, к которому применяется форматирование, и для указания свойства (типа форматирования). Если система служебных кодов определена, то для сохранения текста требуется вставка в него управляющих символов. Например, надо сохранить таблицу из шести чисел, имеющую две строки и три столбца (2 х 3): 4 1 8 2 5 11 Для хранения чисел используются ячейки фиксированного размера (например, два байта). Поэтому, если в файл записано 6 чисел, то при чтении данных из него нужно извлечь шесть раз по 2 байта. Т.к. память ПК линейна, то возникает задача, как сохранить не только сами числа, но и структуру таблицы. Очевидно, что если таблица запоминается построчно, то основным параметром, определяемым ее вид, является количество чисел в строке (т.е. количество столбцов). Поэтому, договариваемся, что первое число в файле – это длина строки таблицы, затем записывается количество строк, а далее построчно сохраняются числовые элементы таблицы. Тип данных, представляющий их, также должен быть оговорен. Число строк необходимо запомнить, чтобы знать, где остановиться при чтении информации. Таблица может быть записана в файл в виде следующей последовательности: 3 2 4 1 8 2 5 11 Сформулированными правилами должна будет пользоваться не только программа, сохраняющая таблицу, но и любая другая, которой потребуется прочесть данные из таблицы, т.к. формат файла определяет способ правильной интерпретации хранимых данных. Размещение в начале файла блока служебной информации часто используется в многочисленных форматах, например, в файлах баз данных или графических данных. Заголовок (служебная информация) Собственно сохраняемые данные Часто заголовок файла включает идентификатор формата файла. Программы, предназначенные для просмотра файлов определенного типа, начинают работу с чтения служебной информации и проверки возможности восприятия формата файла. Современные программные системы позволяют одновременно включать в файл данные разных видов, а это требует разработки очень сложных форматов. Придумать простой формат, который позволил бы хранить множество видов данных вместе, невозможно. Поэтому, например, для хранения документов в MS Office строятся так называемые структурированные хранилища – фактически файловые системы, спрятанные в одном файле. Наличие разных форматов для хранения данных одного и того же типа затрудняет переносимость их из среды одного приложения (программы) в среду другого. Проблема обычно решается использованием специальных программ, называемых конверторами. Вопросы для самоконтроля 1. Как представляются числа в памяти компьютера? 2. Как представляются символьные и текстовые данные? 3. Как представляются звуковые данные? 4. Как представляются графические данные? 5. Какими способами формируются графические изображения? 6. Что вы можете рассказать о моделях RGB и CMYK? 7. Что вы можете сказать об особенностях хранения данных различных типов? Лекция 1.6. Понятие о методах сжатия информации 1.6.1. Два типа методов сжатия данных и области их применения С моделями представления информации тесно связана еще одна проблема – сжатие информации. При архивировании и передаче по каналам связи объем информации является основным параметром. Поэтому модели представления дополняются процедурами сжатия, т.е. плотной упаковкой информации. Применяются два типа алгоритмов сжатия: сжатие с изменением структуры данных (оно происходит без потери данных) и сжатие с частичной потерей данных. Алгоритмы первого типа предусматривают две операции: сжатие информации для хранения или передачи и восстановление данных точно в исходном виде, когда их требуется использовать. Такой тип сжатия применяется для текстов (алгоритмы Хафмана, Keyword encoding и Лемпеля – Зива). Алгоритмы второго типа не позволяют полностью восстановить оригинал и применяются для сжатия графики или звука; для текстовых, числовых данных или программ они не применяются. Вопросы для самоконтроля 1. С какой целью применяют сжатие данных? 2. Какие типы алгоритмов сжатия вы знаете? 3. Какие методы сжатия можно использовать для текстовых файлов, а какие нельзя? 4. Какие методы сжатия можно использовать для графических файлов? Лекция 1.7. Основные этапы развития вычислительной техники 1.7.1. История развития средств ВТ Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе и вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались пальцы, счетные палочки, камешки, веревки с узелками. Более 1500 лет назад для вычислений стали использовать абак (разновидностью которого являются русские счеты). В 1642 г. Блэз Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже артиллерийской стрельбы. Существовала и специальная профессия – счетчик – человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такая последовательность инструкций получила название «программа»). Но многие расчеты производились медленно – даже десятки счетчиков должны были работать несколько недель и месяцев. Причина проста – при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена. В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительного устройство – аналитическую машину - которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, которые придумал Жакард, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов (память). Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию аналитической машины – она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако, он разработал все основные идеи. В 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе электромеханических реле смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину. К тому времени, потребность в автоматизации вычислений (в том числе и для военных нужд – баллистики, криптографии) уже стала настолько велика, что над созданием машин подобного типа одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем «Марк-1», однако для задания программы приходилось в течение нескольких часов или даже дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упростить процесс задания программы, Мочли и Экерт стали конструировать машину, которая бы могла хранить программу в своей памяти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине, в котором ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, и разослал его многим ученым. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. 1.7.2. Эволюция ЭВМ В развитии вычислительной техники принято выделять пять поколений ЭВМ. • ЭВМ 1 поколения. ЭВМ, элементной базой которой являлись лампы. Она обладала малым быстродействием и объемом памяти, неразвитой операционной системой, программированием на машинном языке. Использовалась в 50-е годы («Урал», БЭСМ). • ЭВМ II поколения. ЭВМ, элементной базой которой являются полупроводники. Она имеет изменяемый состав внешних устройств, использует языки программирования высокого уровня и принцип библиотечных программ. Наиболее большое применение нашла в 60-е годы (БЭСИ-6, М-220, «Минск-32», «Весна»). • ЭВМ III поколения. ЭВМ, характерными признаками которой являются интегральная элементная база, развитая конфигурация внешних устройств с использованием стандартных средств сопряжения, высокое быстродействие и большой объем основной и внешней памяти, развитая операционная система, обеспечивающая работу в мультипрограммном режиме. Появление первых ЭВМ этого поколения относится к началу 70-х годов (ЕС ЭВМ, СМ ЭВМ, IBM). • ЭВМ IV поколения. ЭВМ, характерными признаками которой являются элементная база на основе больших интегральных схем (БИС), виртуальная память, многопроцессорность, параллелизм выполнения операций, развитые средства диалога. Появилась в середине 80-х годов («Эльбрус-2», ПЭВМ ЕС1841, ЕС1842, IBM PC). • ЭВМ V поколения. ЭВМ, характерными признаками которой являются использование в качестве элементной базы сверхбольших интегральных схем (СБИС), применение принципа «управления потоками данных» (в отличие от принципа фон Неймана «управление потоками команд»), использование новых решений в архитектуре вычислительной системы и принципов искусственного интеллекта. Вопросы для самоконтроля 1. Какие ключевые события из истории развития вычислительной техники вам известны? 2. По каким признакам ЭВМ относят к тому или иному поколенияю? 3. Каковы совокупные признаки ЭВМ 1-, 2-, 3-, 4-го поколений? Лекция 2.1. Понятие вычислительной системы 2.1.1. Компьютеры, как системы обработки информации Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ – ода из основных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер. 2.1.2. Представление информации в технических устройствах В основу любого устройства, предназначенного для преобразования или хранения информации, должен быть положен принцип ее представления, то есть ее физический носитель. Вычислительные устройства, использующие непрерывную форму представления информации, называются аналоговыми вычислительными машинами (АВМ). Вычислительные устройства, использующие дискретную форму представления, называются цифровыми вычислительными машинами (ЦВМ). В настоящее время устройства, использующие непрерывный способ представления информации, вытесняются более прогрессивными цифровыми устройствами, даже из таких традиционно «аналоговых» областей, как телевидение и телефония. Развитие вычислительных систем, начавшееся преимущественно с АВМ, постепенно перешло к ЦВМ и к середине 70-гг. прошлого столетия ЦВМ полностью вытеснили АВМ. АВМ имели блочную структуру, т.е. представляли собой систему связанных между собой базовых элементов. Связи между базовыми элементами, их состав и количество изменялись для каждой задачи. В качестве базового элемента использовался операционный усилитель (рис. 2.1.1.): Uвх1 . Uвых . . Uвхn Рис. 2.1.1. Операционный усилитель В качестве элементов используются радиоэлектронные компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. В зависимости от типов элементов, базовый элемент может производить сложение, интегрирование, дифференцирование и некоторые другие операции над входными напряжениями (Uвх1, …, Uвхn), результат операции снимается в виде выходного напряжения (Uвых). ЦВМ имеют гораздо более высокую сложность аппаратной и программной реализации. Информация в них имеет определенные границы представления, т.е. точность представления информации конечна. Для расширения границ представления необходимо увеличивать аппаратную часть или увеличивать время обработки. Основными достоинствами ЦВМ являются: ◦ Гарантированная точность результата, зависящая только от границ представления данных; ◦ Универсальность – способность обрабатывать данные любыми методами, представляемыми последовательностью простых арифметических и логических операций; ◦ Возможность реализации большого числа известных численных, математических методов решения задач. При построении функциональных узлов КС используются элементы, которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таким базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На рис. 2.1.2. показаны условные обозначения и значения выходного сигнала в зависимости от входных сигналов. Ноль изображается на диаграммах низким значением сигнала, а единица – высоким. Используя эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ. x1 x1 y y x y x2 x2 «логическое ИЛИ» «логическое И» «логическое НЕ» Рис. 2.1.2. Базовая система логических элементов цифровых устройств 2.1.3. Функциональные узлы компьютерной системы 2.1.3.1. Элемент памяти Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является функциональное устройство, триггер (или защелка), которое может по команде принять или выдать один двоичный бит, а, главное, сохранять его. Триггер строится на основе базового набора логических схем (рис. 2.1.3.). 1 S 0 0 Q 1 0 0 1 R 1 Рис. 2.1.3. Схема триггера в состоянии хранения бита информации. 1 и 2 – это два элемента «логическое НЕ», 3 и 4 – два элемента «логическое И-НЕ», которые представляют собой комбинацию логических элементов «И» и «НЕ». Такой элемент на входе выполняет операцию логического умножения, результат которой инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода Q и . Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в триггере. Выход используется для получения инверсного значения сигнала. Входы S и R предназначены для записи в триггер одного бита со значением 0 или 1. Для записи в триггер 1 на вход S подается 1 (рис.2.1.4.). На выходе схемы 1 получится 0, который обеспечит на выходе схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на выходе которой значение изменится на ноль ( =0). Этот ноль на входе схемы 3 будет поддерживать сигнал на выходе в состоянии единицы. Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 все равно будет высокий уровень, т.е. триггер сохраняет записанную в него 1. Единичный сигнал на входе 3 необходимо удерживать некоторое время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем на входе S вновь устанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает единичный сигнал на выходе Q, т.е. сохраняет записанную в него единицу. Точно также, подав единичный сигнал на вход R, можно записать в триггер ноль. 1 0 S 0 1 Q 0 1 0 R 1 Рис. 2.1.4. Запись в триггер единицы. 2.1.3.2. Регистры Триггер служит основой для построения функциональных узлов, способных хранить двоичные числа, осуществлять их синхронную параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некоторые специальные операции. Такие функциональные узлы называются регистрами. Рис. 2.1.5. Условное обозначение триггера. Регистр – это набор триггеров, число которых определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам: 8-, 16-, 32-, 64- разрядные регистры. Кроме этого, в состав регистра входят схемы управления его работой. Регистр содержит n триггеров, образующих n разрядов (рис. 2.1.6.). Перед записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на вход «сброс». Запись информации в регистр производится синхронно подачей единичного сигнала «Запись». Этот сигнал открывает входные вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах x1, …, xn, где присутствует единичный сигнал, произойдет запись единицы. Чтение информации из регистра также производится синхронно, подачей сигнала «Чтение» на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные схемы, позволяющие организовать такие операции, как сдвиг информации (регистр сдвига) и подсчет поступающих единичных сигналов (регистры счетчики). 2.1.4. Понятие архитектуры вычислительной системы Под архитектурой ЭВМ понимают, прежде всего, основные устройства и блоки ЭВМ, а также структуру связей между ними. С точки зрения архитектуры представляют интерес лишь те связи и принципы, которые являются наиболее общими, присущими многим конкретным реализациям вычислительных систем. Именно, то общее, что есть в строении ЭВМ, и относится к понятию архитектуры. С точки зрения архитектуры важны только те сведения о построении ЭВМ, которые могут как-то использоваться при программировании и «пользовательской» работе с ЭВМ. x1 y1 . . . . . . . . . . . . . . . xn yn «запись» «Сброс» «Чтение» Рис. 2.1.6. Схема n- разрядного регистра хранения с синхронной записью и чтением Наиболее общие принципы построения ЭВМ, которые относятся к архитектуре: • Структура памяти ЭВМ; • Способы доступа к памяти и внешним устройствам; • Возможность изменения конфигурации компьютера; • Система команд; • Форматы данных; • Организация интерфейса. Обобщая вышесказанное, можно сказать: «Архитектура ЭВМ – наиболее общие принципы построения ЭВМ, реализующие управления работой и взаимодействием ее функциональных устройств. 2.1.5. Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил великий американский ученый Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой ламповой ЭВМ ENIAC, когда ее конструкция была уже выбрана. Фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ. Вместе со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман обосновал использование двоичной системы для представления чисел (раньше все вычислительные машины хранили обрабатываемые числа в десятичном виде). Они продемонстрировали преимущества двоичной системы для технической реализации, удобство и простоту выполнения в ней арифметических и логических операций. Еще одной, поистине революционной идеей, является предложенный фон Нейманом принцип «хранимой программы». Он первый догадался, что программа может также храниться в виде набора нулей и единиц в той же памяти, что и обрабатываемые числа. Отсутствие принципиальной разницы между программой и данными дало возможность ЭВМ самой формировать для себя программу в соответствии с результатами вычислений. Рис.2.1.7. Архитектура ЭВМ, построенной на принципах фон Неймана. Сплошные линии со стрелками указывают направление потоков информации, пунктирные – управляющих сигналов от процессора к остальным устройствам. Фон Нейман, кроме основополагающих принципов логического устройства ЭВМ, предложил также ее структуру, которая воспроизводилась в течение первых двух поколений ЭВМ. Основными блоками по Нейману являются устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ) (в последствии объединенные в центральный процессор), память, внешняя память, устройства ввода и вывода (рис. 2.1.7). В данной схеме ЭВМ происходит последовательное считывание команд из памяти и их выполнение. Номер (адрес) очередной ячейки памяти, из которой будет извлечена следующая команда программы, указывается специальным устройством – счетчиком команд в УУ. Его наличие является одним из характерных признаков рассмотренной архитектуры. Разработанные фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальными, что получили название «фон-неймановской архитектуры». 2.1.6 Архитектуры ВС сосредоточенной обработки информации Современный компьютер состоит из нескольких функциональных узлов: процессор, память, контроллеры устройств и т.д. Каждый узел представляет собой сложное электронное устройство, в состав которого могут входить миллионы логических элементов. Уровни представление компьютера: Цифровой логический уровень – уровень логических схем базовой системы элементов; Микроархитектурный уровень – уровень организации обработки информации внутри функционального узла. Сюда относятся регистры различного назначения, устройство обработки поступающих команд, устройство преобразования данных, устройство управления; Командный уровень - набор функциональных узлов и связи между ними, система команд и данных, передаваемых между устройствами. 2.1.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств Компьютерами с сосредоточенной обработкой называются вычислительные машины, у которых одно или несколько обрабатывающих устройств (процессоров) расположены компактно и используют для обмена информацией внутренние шины передачи данных. Компьютеры первых двух поколений имели архитектуру закрытого типа с ограниченным набором внешних устройств. Рис. 2.1.8. Архитектура компьютера закрытого типа Такая архитектура характерна для компьютеров, базовая система логических элементов которых построена на электронных лампах и транзисторах. Введение любого дополнительного, функционального блока был сопряжен с увеличением потребляемой мощности, занимаемой площади и резко увеличивал стоимость всей системы. Компьютер, выполненный по этой архитектуре (рис. 2.1.8.), не имел возможности подключения дополнительных устройств, не предусмотренных разработчиком. Оперативная память хранит команды и данные исполняемых программ, АЛУ обеспечивает не только числовую обработку, но и участвует в процессе ввода-вывода информации, осуществляя ее занесение в оперативную память. Канал ввода/вывода представляет собой специализированное устройство, работающее по командам, подаваемым устройством управления. Канал допускает подключение определенного числа внешних устройств. Устройство управления обеспечивает выполнение команд программы и управляет всеми узлами системы. Компьютеры такой архитектуры эффективны при решение чисто вычислительных задач. Они плохо приспособлены для реализации компьютерных технологий, требующих подключения дополнительных внешних устройств и высокой скорости обмена с ними информации. 2.1.6.2 Вычислительные системы с открытой архитектурой В начале 70-х г.г. фирмой DEC был предложен компьютер с архитектурой, позволяющей свободно подключать любые периферийные устройства. Главным нововведением являлось подключение всех устройств, независимо от их назначения, к общей шине передачи информации. Подключение осуществлялось в соответствии со стандартом шины. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины, приведена на рис. 2.1.9. Общее управление всей системой осуществляет центральный процессор. Он управляет общей шиной, выделяя время другим устройствам для обмена информацией. Запоминающее устройство хранит исполняемые программы и данные. Внешние устройства подключаются к шине через специальное устройство – контроллер. Контроллер согласовывает сигналы устройства с сигналами шины и осуществляет управление устройством по командам, поступающим от центрального процессора. Контроллер подключается к шине специальными устройствами – портами ввода-вывода. Каждый порт имеет свой номер, и обращение к нему процессора происходит, так же как к ячейке памяти, по этому номеру. Процессор имеет специальные линии управления, сигнал на которых определяет, обращается ли процессор к ячейке памяти или к порту ввода-вывода контроллера внешнего устройства. Несмотря на преимущества архитектуры с общей шиной, она имеет серьезный недостаток. К общей шине подключаются устройства с разными объемами и скоростью обмена, в связи с чем «медленные» устройства задерживали работу «быстрых». Дальнейшее повышение производительности компьютера было найдено во введении, дополнительной, локальной шины, к которой подключались «быстрые» устройства. Архитектура с общей и локальной шинами приведена на рис. 2.1.10. Общая шина Рис. 2.1.9. Архитектура компьютера открытого типа Контроллер шины анализирует адреса портов, передаваемые процессором, и передает их контроллеру, подключенному к общей или локальной шине. Конструктивно контроллер каждого устройства размещается на общей плате с центральным процессором и запоминающим устройством или, если устройство не является Общая шина Локальная шина Рис. 2.1.10. Архитектура с общей и локальной шиной. стандартно входящим в состав компьютера, на специальной плате, вставляемой в специальные разъемы на общей плате – слоты расширения. Дальнейшее развитие микроэлектроники позволило размещать несколько функциональных узлов и контроллеры стандартных устройств в одной микросхеме СБИС. Это сократило количество микросхем на общей плате и дало возможность ввести две, дополнительные, локальные шины для подключения запоминающего устройства и устройства отображения, которые имеют наибольший объем обмена с центральным процессором и между собой. Хотя архитектура компьютера осталась прежней, структура современного ПК имеет вид, представленный на рис. 2.1.11. Локальная Локальная шина шина Общая шина Выходы контроллеров для подключения . . . стандартных внешних устройств Рис. 2.1.11. Структура персонального компьютера Центральный контроллер играет роль коммутатора, распределяющего потоки информации между процессором, памятью, устройством отображения и остальными узлами компьютера. Кроме этого в состав микросхемы центрального контроллера включены устройства, которые поддерживают работу компьютера. К ним относятся: системный таймер; устройство прямого доступа к памяти, которое обеспечивает обмен данными между внешними устройствами и памятью в периоды, когда это не требуется процессору; устройство обработки прерываний, которое обеспечивает быструю реакцию процессора на запросы внешних устройств, имеющих данные для передачи. Функциональный контроллер – это СБИС, которая содержит контроллеры для подключения стандартных внешних устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер, модем и т.д. Часто в состав этого контроллера входит аудио-карта, позволяющая получить на внешних динамиках высококачественный звук при прослушивании музыкальных и речевых файлов. Для подключения специфических устройства часть общей шины, соединяющая центральный и функциональный контроллеры, имеет слоты расширения для установки плат контроллеров. Лекция 2.2. Состав и назначение основных элементов персонального компьютера 2.2.1. Центральный процессор Центральный процессор (ЦП) – функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных ПК разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур: • Полная система команд переменной длины – Complex Instruction Set Computer (CISC); • Сокращенный набор команд фиксированной длины – Reduced Instruction Set Computer (RISC). Весь ряд процессоров фирмы Intel, устанавливаемых в ПК IBM имеют архитектуру CISC, а процессоры Motorola, используемые фирмой Apple для своих ПК, имеют архитектуру RISC. Обе архитектуры имеют свои достоинства и недостатки. CISC - процессоры имеют обширный набор команд (до 400), из которых программист может выбрать, наиболее подходящую в данном случае, команду. Недостатком является то, что большой набор команд усложняет внутреннее устройство управления процессором, увеличивает время исполнения команды на микропрограммном уровне. Команды имеют различную длину и время исполнения. RISC – архитектура имеет ограниченный набор команд и каждая команда выполняется за один такт работы процессора. Небольшое число команд упрощает устройство управления процессором. К недостаткам можно отнести то, что если требуемой команды в наборе нет, программист вынужден реализовать ее с помощью нескольких команд из имеющегося набора, увеличивая размер программного кода. Упрощенная схема процессора, отражающая основные особенности архитектуры микро - уровня, приведена на рис. 2.2.1. Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит: • Буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время ее выборки из памяти; • Дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды; АЛУ Внутренняя шина … шина шина шина адреса данных управления Рис. 2.2.1. Архитектура процессора • Управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд; • Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд – это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения. Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полно разрядного сумматора и схем местного управления. В основе АЛУ лежит устройство, реализующее арифметическую операцию. Сложения двух целых чисел. Остальные арифметические операции реализуются с помощью представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ – это много разрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда (полусумматор). Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором. Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Если операнды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается. Процессоры для современных ПК типа IBM PC выпускают многие фирмы, но наиболее распространенными являются процессоры фирмы Intel. Ее последняя разработка - процессор Pentium 4 (выпуск начат в 2001 г.). К основным особенностям архитектуры Pentium 4 относится: ◦ В системы команд добавлены новые команды, ориентированные на работу с видео- и аудио - потоками; ◦ Имеется специальный внутренний КЭШ, размером 256 Кбайт, который работает на тактовой частоте процессора, и имеет собственную шину связи с процессором, обеспечивающую скорость обмена 48 Гбайт/с; ◦ Внутренняя микро архитектура процессора базируется на двух параллельно работающих конвейерах команд (суперскалярная архитектура), которые исполняют сразу несколько команд в разных фазах обработки (чтение, дешифрация, загрузка операндов, исполнение), конвейеры заканчиваются двумя АЛУ, работающими на удвоенной частоте процессора для коротких арифметических и логических команд, и АЛУ для выполнения медленных команд; ◦ Процессор работает на частотах 1500 – 3000 МГц и содержит около 42 млн. транзисторов. Фирма Intel поставляет упрощенные варианты процессор Pentium 4 под названием Celeron, который в два раза дешевле базового варианта. Последние модели Celeron ни в чем не уступают «старшему брату» и даже в некоторых случаях превосходят его. 2.2.2. Внутренние запоминающие устройства: оперативное запоминающее устройство, кэш-память, постоянное запоминающее устройство Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) - памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов – один байт. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой. Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем статического. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш – память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент. Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Например, размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов. Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш–памятью (от анг. Cache – запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, она делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт – 2 Мбайта. Кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16 – 1000 Мбайт. Использование процессом кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти. В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройство можно разделить по способу записи с них информации на следующие категории: ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию. Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Изменение содержания ППЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш - технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами. 2.2.3. Внутренние шины Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется: шириной – числом параллельных проводников для передачи информации; тактовой частотой – частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации. Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса n, то количество адресуемой памяти равно 2n. Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 – 64. Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора (рис. 2.2.1.), или отдельным контроллером шины (рис. 2.1.11.). Разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. На рис. 2.1.11 локальные шины используются для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера. Основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПК фирмы IBM. Общая шина PCI применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2/1/ Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц, ширина шины адреса – 32, а шины данных – 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины 528 Мбайт/с. Общая шина PCMCIA применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины PCI/ Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/с. 2.2.3. Внешние запоминающие устройства В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение получили дисковые ВЗУ, которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные. Магнитные диски используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков – секторов. Сектор содержит минимальные блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами. Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должна быть произведена перед первым использованием диска для записи информации. Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск. Организация файловой системы на магнитных носителях. Все современные дисковые операционные системы обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность диска рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются номера поверхностей, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT- таблицах). Нарушение FAT-таблицы приводит к невозможности воспользоваться данными, поэтому она существует в двух экземплярах, идентичность которых регулярно контролируется средствами операционной системы. Наименьшей физической единицей хранения данных является сектор. Размер сектора равен 512 байт. Размер FAT-таблицы ограничен, поэтому для дисков, размер которых превышает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера не фиксируется и зависит от емкости диска. Операционные системы MS DOS, OS/2, Windows 95 и Windows NT реализуют 16-разрядные поля в таблицах размещения файлов. Такая файловая система называется FAT-16. Она позволяет разместить в FAT-таблицах не более 65536 записей (216) о местоположении единиц хранения данных и для дисков объемом от 1 до 2 Гбайт длина кластера составляет 32 Кбайт (64 сектора). Это не вполне рационально, т.к. любой файл (даже очень маленький) полностью оккупирует весь кластер, которому соответствует только одна адресная запись в FAT-таблице. Даже если файл велик и располагается в нескольких кластерах, все равно в его конце образуется остаток, нерационально расходующий целый кластер. Для современных жестких дисков потери, связанные с неэффективностью файловой системы могут составлять от 25 до 40% полной емкости диска в зависимости от среднего размера хранящихся файлов. С дисками более 2 Гбайт файловая система FAT-16 вообще работать не может. Современные операционные системы, начиная с Windows 98, обеспечивают более совершенную организацию файловой системы – FAT-32 с 32-разрядными полями в таблицах размещения файлов. Для дисков размера до 8 Гбайт эта система обеспечивает размер кластера 4 Кбайт (8 секторов). Дисководы магнитных дисков делятся на дисководы для сменных носителей (дискет) и дисководы жестких дисков (винчестеры), которые устанавливаются в системном блоке компьютера. Все сменные носители на дисках характеризуются диаметром или форм-фактором. Наибольшее распространение получили шибкие магнитные диски с форм-фактором 3,5 дюйма. Накопители на оптических дисках Оптический компакт-диск, который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. К достоинствам можно отнести и его относительную дешевизну, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей. В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD- Recodable (CD-R). Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи – CD-ReWritable (CD-RW). Дальнейшее развитие технологии производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи – цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Объем записываемой информации на диске достигает 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD. Флэш-память. К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств (МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры) потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, обладающих малой энергоемкостью, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. и получили название флэш-память. Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40 х 16 х 7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с. 2.2.4. Устройства ввода/вывода данных Видеотерминалы Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия ее пользователей. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера. Для ПК используются мониторы следующих типов: • На основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ); • На основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, LCD – Liguid Crystal Display); • Плазменные мониторы (PDP – Plasma Display Panels); • Электролюминесцентные мониторы (FED – Field Emission Display); • Самоизлучающие мониторы (LEP – Light Emission Plastics). Основные характеристики мониторов: Размер экрана монитора – задается величиной диагонали в дюймах. Домашние ПК оснащаются мониторами с размерами 15 или 17 дюймов, а для профессиональной работы, требующей отображения мелких деталей, используются мониторы с размерами 21 и 22 дюйма. Разрешающая способность – определяется числом пикселей (световых точек) по горизонтали и вертикали. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов следующие: 800 х 600, 1024 х 768, 1800 х 1440, 2048 х 1536 и др. Значение разрешающей способности определяет качество изображения на экране. Рабочая частота кадровой развертки – определяет скорость смены кадров изображения. Она влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Чем выше частота кадровой развертки, тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров во многом зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров. Например, при разрешении 800 х 600 максимальная частота смены кадров может составить 120 Гц, а при разрешении 1600 х 1200 – 67 Гц. На разрешающую способность монитора и качество изображения влияет объем видеопамяти. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют 4 байт памяти, для чего необходимо иметь объем видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Больший объем видеопамяти позволяет устанавливать более высокий режим разрешения и большее число цветов для каждого пикселя. Мониторы на основе ЭЛТ используют электроннолучевые трубки, применяемые в обычный телевизионных приемниках, и устройство, формирующее на экране точки (пиксели). Для цветных мониторов цвет точки создается смещением тех основных цветов (красного, зеленого и синего) и зависит от интенсивности каждого электронного луча. Цветной монитор может отображать до 16 млн. оттенков в каждой точке. Мониторы на жидкокристаллических индикаторах представляют собой плоские панели. Эти мониторы используют специальную, прозрачную жидкость, которая при определенных напряжениях электростатического поля кристаллизируется, при этом изменяется ее прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения. Эти мониторы имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45о от вертикали. В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Большими преимуществами таких мониторов являются высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а также большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном использовании) ухудшение качества люминофора. Пока такие мониторы используют только для конференций и презентаций. Электролюминесцентные мониторы состоят из двух пластин, с ортогонально нанесенными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесен слой люминофора, который начинает светится при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель. Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с желтым свечением, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, работают при низком напряжении питания и имеют малый вес. Устройства ввода информации Клавиатура. Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер. Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала при нажатии клавиши. Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники. Такая клавиатура позволяет работать в любом удобном для пользователя месте, не привязываясь к расположению системного блока. Можно также отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свернута в виде цилиндра. Клавиатурный процессор, который обрабатывает сигналы от клавиатуры, определяет номер клавиши, которая была нажата, так называемый скан-код, а сервисные программы операционной системы определяют, какой именно символ или команда были введены. Такой подход позволяет сопоставлять каждой клавише больше одного символа. Манипулятор типа «мышь». В качестве дополнительных устройств для ручного ввода информации наиболее широко используются устройства графического ввода типа «мышь» и устройства для ввода информации в игровые программы – джойстики. Манипулятор «мышь» представляет необходимое средство для работы с компьютером. Мышь представляет собой электронно-механическое устройство, внешний вид которой и принцип действия весьма разнообразны. Наиболее популярные типы мыши, применяемые в настольных компьютерах, имеют вид небольшой коробочки, сверху которой находятся две кнопки управления командами мыши и колесико скроллинга, применяемого для прокрутки информации в некоторых приложениях. На нижней части находится механическое или электронное устройство, отслеживающее перемещение мыши по поверхности. В портативных компьютерах мышь вмонтирована в его корпус и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движение пальца по площадке и силу его давления и перемещают курсор по экрану или, при более сильном нажатие, выполняют команду. Такие устройства получили название трекпоинты или трекпады. Выпускаются мыши, передающие информацию в компьютер по инфракрасному каналу. У таких мышей отсутствует «хвостик», связывающий ее с компьютером, из-за которого она и получила свое имя. Джойстик. Манипулятор типа является основным устройство для управления многочисленными компьютерными играми. Простейший джойстик представляет собой основание с укрепленной на нем рукояткой, на которой размещены четыре кнопки и двухпозиционный курок. Функции всех кнопок и положения рукоятки программируются и для разных игр могут иметь разные действия. Джойстики обеспечивают больший контроль над игрой и значительно полнее передают реальную игровую ситуацию. Для подключения джойстика используется стандартный вход, размещаемый обычно на разъеме звуковой карты, или другой стандартный вход компьютера. Устройства печати Существует несколько типов устройств, обеспечивающих получение твердой копии электронного документа на бумаге или другой материале. Наиболее распространены два типа таких устройств: принтеры и плоттеры. Печатающие устройства (принтеры) предназначены для вывода информации на бумагу. Все принтеры могут выводить текстовую информацию, многие из них могут выводить также рисунки и графики, а некоторые принтеры могут выводить и цветные изображения. Существует несколько тысяч моделей принтеров, которые могут использоваться с IBM PC. Как правило, применяются принтеры следующих типов: матричные, струйные и лазерные, однако встречаются и другие (светодиодные, термопринтеры и т.д.). Основной характеристикой принтера, определяющей качество бумажного документа, является разрешающая способность, измеряющаяся числом элементарных точек, которые помещаются на одном дюйме. Чем выше разрешающая способность, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi. Еще одной важной характеристикой является производительность принтера, которая измеряется количеством страниц, изготавляемый принтером в минуту. Обычно производительность указывается для страниц формата А4. Матричные (или точечно-матричные) принтеры - наиболее распространенный, до недавнего времени тип принтеров для IBM PC . Принцип печати этих принтеров таков: печатающая головка принтера содержит вертикальный ряд тонких металлических стержней (иголок). Головка движется вдоль печатаемой строки, а стержни в нужный момент ударяют по бумаге через красящую ленту. Это и обеспечивает формирование на бумаге символов и изображений. В дешевых моделях принтеров используется печатающая головка с 9 стержнями. Качество печати у таких принтеров посредственное, но его можно несколько улучшить с помощью печати в несколько проходов (от двух до четырех). Более качественная и быстрая печать обеспечивается принтерами с 24 печатающими иголками (24-точечными принтерами). Бывают принтеры и с 48 иголками, они обеспечивают еще более качественную печать. Скорость печати точечно-матричных принтеров - от 60 до 10 с на страницу, печать рисунков может выполняться медленнее - до 5 мин на страницу. Разрешающая способность составляет 200 – 300 dpi. Достоинством является низкая стоимость расходных материалов (красящей ленты) и возможность печати одновременно нескольких копий документа. К недостаткам относится низкая скорость и шум при печати. Струйные принтеры. В этих принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью сопел. Число сопел составляет от 12 до 64. Струйные принтеры выполняют и цветную печать. Качество цветной печати получает очень высокое и практически неотличимо от типографского. Достоинства: высокое разрешение, которое зависит от числа сопел в головке и составляет от 300 до 1200 dpi; высокая скорость печати (до 10 ppm); бесшумность работы. Основной недостаток – высокая стоимость расходных материалов и возможность засыхания красителя в сопле, что приведет к замене всего печатающего блока. Лазерные принтеры обеспечивают в настоящее время наилучшее качество печати. В этих принтерах для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. Отличие от обычного ксерокопировального аппарата состоит в том, что печатающий барабан электризуется с помощью лазера по командам из компьютера. К достоинствам можно отнести высокую скорость печати лазерных принтеров - от 15 до 5 с на страницу ( до 40 ppm) при выводе текстов (страницы с рисунками могут выводиться значительно дольше), а также низкую себестоимость копии и бесшумность работы. Плоттеры. Плоттеры, или графопостроители, используются, в основном, для вывода графической информации – чертежи, схемы диаграммы и т.п. Основное достоинство заключается в том, что они предназначены для получения изображения на бумаге большого формата, например, А1. Плоттеры делятся два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущих узел перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая на бумаге непрерывные кривые в любом направлении. В растровых – пишущий узел перемещается относительно бумаги только в одном направлении. Изображение формируется строка за строкой из последовательности точек. Векторные плоттеры используют для рисования узел, который называется пером. В качестве пера, используются перья с чернилами, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), карандашные грифели и мелки или шариковые узлы однократного и многократного действия. Перьевые плоттеры обеспечивают высокое качество изображений, но имеют невысокую скорость работы. Постепенно перьевые и шариковые узлы плоттеров вытесняются струйными узлами, аналогичными узлам струйных принтеров. Растровые плоттеры могут иметь струйный или лазерный пишущий узел. Их основное отличие от принтеров с подобным принципом работы в ширине обрабатываемого изображения. Сканеры. Сканеры являются наиболее распространенными устройства для решения задачи перевода бумажных документов в электронные копии. Их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают черно-белые и цветные. Важной характеристикой сканеров является разрешающая способность, измеряющаяся количеством различаемых точек на дюйм изображения, и составляет от 75 до 1600 dpi. Для нормального распознавания образов, в частности, текстов, вполне достаточно 300-600 dpi. Разрешение необходимо выбирать индивидуально для каждого конкретного использования сканируемого изображения. Увеличение разрешения резко увеличивает размер файла. Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые. Ручные сканеры имеют малые габариты и низкую стоимость и позволяют сканировать изображения любого размера, но могут возникать искажения при совмещении частей изображения. Планшетные сканеры – наиболее распространенный тип. В них сканирующая головка движется относительно неподвижного оригинала, который помещается на прозрачное стеклянное основание. Достоинство таких сканеров заключается в том, что с их помощью можно сканировать и листовые и сброшюрованные документы (книги). Скорость сканирования составляет 2 – 10 с на страницу формата А4. К недостаткам можно отнести необходимость ручного позиционирования каждой страницы оригинала. Роликовые сканеры используются для пакетной обработки листовых документов. В них подача очередного листа для сканирования происходит автоматически. Сканирующая головка в таких сканерах неподвижна, а лист оригинала перемещается относительно нее. К недостаткам можно отнести проблему выравнивания листов и сложность работы с листами нестандартного размера. Лекция 3.1. Классификация программного обеспечения Программы — это упорядоченные последовательности команд. Конечная цель любой компьютерной программы — управление аппаратными средствами. Даже если на первый взгляд программа никак не взаимодействует с оборудованием, не требует никакого ввода данных с помощью устройств ввода и не осуществляет вывод данных на устрой­ства вывода, все равно ее работа основана на управлении аппаратными устройствами компьютера. Программное и аппаратное обеспечение в компьютере работают в неразрывной связи и в непрерывном взаимодействии. Состав программного обеспечения вычислительной системы называют программ­ной конфигурацией. Между программами, как и между физическими узлами и бло­ками существует взаимосвязь — многие программы работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, то есть, мы можем говорить о межпрограммном интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на суще­ствовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько взаимо­действующих между собой уровней. Уровни программного обеспечения представ­ляют собой пирамидальную конструкцию. Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое членение удобно для всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания. Обратите внимание на то, что каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы. Так, например, вычислительная система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение. 3.1.1. Системное программное обеспечение компьютера Системный уровень ПО — переходный. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспече­нием, то есть выполняют “посреднические” функции. От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкрет­ными устройствами, называются драйверами устройств — они входят в состав про­граммного обеспечения системного уровня. Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользовате­лем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в вычислитель­ную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского интерфейса. От них напрямую зависит удобство работы с компьютером и производи­тельность труда на рабочем месте. Совокупность программного обеспечения системного уровня образует ядро операци­онной системы компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с пользователем. То есть наличие ядра опера­ционной системы — непременное условие для возможности практической работы человека с вычислительной системой. 3.1.2. Операционная система. Назначение и основные функции ОС. Особое место среди программных средств всех типов занимают ОС, являясь ядром программного обеспечения. ОС - комплекс программ, обеспечивающих: • управление ресурсами, т.е. согласованную работу всех аппаратных средств компьютеров; • управление процессами, т.е. выполнение программ, их взаимодействие с устройствами компьютера, с данными; • пользовательский интерес, т.е. диалог пользователя с компьютером, выполнение определенных простых команд-операций по обработке информации. ОС наиболее машинно-зависимый вид программного обеспечения, ориентированный на конкретные модели компьютеров, поскольку они напрямую управляют их устройствами, т.е. обеспечивают интерфейс между пользователем и аппаратной частью компьютера. ОС образует автономную среду, не связанную ни с одним языком программирования. Любая же прикладная программа связана с ОС и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная системная среда. Прикладные программные средства, разработанные в среде одной ОС, не могут быть использованы для работы в среде другой ОС, если нет конвертора, позволяющего сделать это. В таком случае говорят о программной несовместимости компьютеров. Обычно ОС хранится на жестком диске. При включении компьютера ОС автоматически загружается с диска в оперативную память. 3.1.3. Эволюция ОС ОС за все время существования компьютеров претерпели значительную эволюцию. 1. Первые операционные системы были однопользовательскими и однозначными. Они характеризуются невысокой эффективностью использования ресурсов компьютера из-за простоев всех, кроме одного работающего периферийного устройства. Например, при вводе данных простаивал центральный процессор, устройства вывода и внешние запоминающие устройства. 2. Однопользовательские и многозадачные - обеспечивают постановку заданий в очередь на выполнение, параллельное выполнение заданий, разделение ресурсов компьютера между выполняющимися заданиями. Например, одно задание может выполнять ввод данных, другое – выполняться центральным процессором, третье – выводить данные, четвертое - стоять в очереди. Такие возможности обеспечивают контролеры внешних устройств (собственные процессоры). При многозадачном режиме: • в оперативной памяти находится несколько заданий пользователей; • время работы процессора разделяется между программами, находящимися в ОП и готовыми к обслуживанию процессором; • параллельно с работой процессора происходит обмен информацией с различными внешними устройствами. 3. Наиболее совершенны и сложны многопользовательские многозадачные ОС. Они предусматривают одновременное выполнение многих заданий многих пользователей, обеспечивают разделение ресурсов компьютера в соответствии с приоритетами пользователей и защиту данных каждого пользователя от несанкционированного доступа. В этом случае ОС работает в режиме разделенного времени, т.е. обслуживает многих пользователей, работающих каждый со своего терминала. В настоящее время используется много типов различных ОС для ЭВМ различных видов. В их структуре существуют общие принципы. В составе многих ОС можно выделить ядро – некоторую часть, являющуюся основой всей системы. В состав ядра входят наиболее часто используемые модули: модуль управления системой прерываний, средства по распределению основных ресурсов – ОП и процессор. Программы, входящие в состав ядра при загрузке ОС помещаются в ОЗУ, где постоянно находятся и используются при функционировании ЭВМ (такие программы являются резидентными). Важной частью ОС является командный процессор – программа, отвечающая за интерпретацию и использование простейших команд пользователя, и его взаимодействие с ядром ОС. К ОС следует относить и богатый набор утилит – небольших программ, обслуживающих различные устройства компьютера (форматирования магнитных дисков, восстановление удаленных файлов и т.д.). Наиболее популярные ОС MS DOS и Windows фирмы Microsoft, UNIX. 3.1.4. Пользовательские интерфейсы По реализации интерфейса пользователя различают неграфические и графические операционные системы. Неграфические операционные системы реализуют интерфейс командной строки. Основным устройством управления в данном случае является клавиатура. Управляющие команды вводят в поле командной строки, где их можно и редактировать. Исполнение команды начинается после ее утверждения, например, нажатием клавиши Enter. Для компьютеров платформы IBMPC интерфейс командной строки обеспечивается семейством операционных систем под общим названием MS-DOS (версии от MS-DOS 1.0 до MS-DOS 6.2). Графические операционные системы реализуют более сложный тип интерфейса, в котором в качестве органа управления кроме клавиатуры может использоваться мышь или адекватное устройство позиционирования. Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента управления выступает указатель мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов управления выступают графические элементы управления приложений (экранные кнопки, значки, переключатели, флажки, раскрывающиеся списки, строки меню и многое другое). Характер взаимодействия между активными и пассивными элементами управления выбирает сам пользователь. В его распоряжении приемы наведения указателя мыши на элемент управления, щелчки кнопками мыши и другие средства. Лекция 3.2. ОС Windows 3.2.1. 32 – разрядная архитектура Первая 32–разрядная ОС для компьютеров IBM PC - Windows 95. Она появилась в результате слияния ОС MS-DOS и ее графической оболочки Windows 3.1. Операционная система Windows ориентирована на работу 32-разрядных программ, многие ее компоненты являются 32-разрядными. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно может выполняться машинная операция, в т.ч. и операция передачи информации; чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК. Большинство программ для ОС MS DOS относилось к 16-разрядным программам, которые использовали реальный режим работы микропроцессора. Реальный режим значительно ограничивает возможности программы, т.к. в этом режиме затруднен доступ в верхние (свыше 1 Мбайта) области памяти. MS-DOS не имеет средств для поддержки 32-разрядных программ, работающих в защищенном режиме микропроцессора. Чтобы такие программы могли работать в среде MS-DOS, требуется дополнительное программное обеспечение, расширяющее функции MS-DOS. Возможен так же вариант, когда дополнительные функции, обеспечивающие защищенный режим, включаются непосредственно в код программы, увеличивая тем самым ее объем. ОС Windows полностью обеспечивает работу 32-разрядных программ, причем она спроектирована таким образом, что использование 32-разрядных программ в ее среде является наиболее оптимальным. В среде Windows также успешно функционируют 16-разрядные программы, но они не могут задействовать все ресурсы системы. 32-разрядные программы занимают больше оперативной и дисковой памяти, чем 16-разрядные. Но это компенсируется, во-первых, увеличением скорости работы программы, во-вторых, удешевлением всех видов памяти, в т.ч. и электронной. 3.2.2. Многозадачность и многопоточность ОС Windows является многозадачной (мультизадачной), т.е. она способна «одновременно» выполнять несколько программ. На самом деле один МП может выполнять инструкции только одной программы. Однако ОС настолько оперативно реагирует на потребности той или иной программы, что создается впечатление одновременности их работы. Например, в процессе подготовки текстового документа можно параллельно печатать содержимое какого-либо файла и проверять на вирус жесткий диск. Многозадачность может быть кооперативной и вытесняющей. При кооперативной многозадачности ОС не занимается решением проблемы распределения процессорного времени. Распределяют его сами программы. Причем активная программа (т.е. та, с которой работают в настоящий момент) самостоятельно решает, отдавать ли процессор другой программе. Момент передачи управления здесь зависит от хода выполнения задачи. Таким моментом должен быть системный вызов, т.е. обращение к системе за какой-либо услугой (ввод или вывод на внешнее устройство и пр.). Фоновым задачам выделяется процессорное время при простое приоритетной задачи (ожидание нажатия клавиши и др.). Кооперативная многозадачность была реализована в среде Windows 3.1. В Windows кооперативная многозадачность обеспечивается для 16-разрядных приложений, т.к. эти приложения, созданные для Windows 3.1., умеют самостоятельно распределять процессорное время. При вытесняющей многозадачности распределением процессорного времени между программами занимается ОС. Она выделяет каждой задаче фиксированный квант времени процессора. По истечении этого кванта времени система вновь получает управление, чтобы выбрать другую задачу для ее активизации. Если задача обращается к ОС до истечения ее кванта времени, то это также служит причиной переключения задач. Такой режим многозадачности Windows реализует для 32-разрядных приложений, а также для программ, написанных для MS-DOS. Многопоточность операционной системы означает, что работающие программы (процессы) могут разделяться на несколько частей. При этом каждая часть самостоятельно претендует на процессорное время. Это обеспечивает одновременное выполнение программой нескольких не связанных друг с другом операций. Например, в ТП вычисления в разных ячейках благодаря многопоточности могут выполняться одновременно, причем параллельно с вычислениями могут быть организованны ввод данных в ячейки, их вывод на печатающее устройство и т.п. 3.2.3. Графический пользовательский интерфейс Пользовательский интерфейс Windows использует графический режим видеомонитора. Основу нового графического интерфейса пользователя составляет хорошо продуманная система окон, располагающаяся на экране монитора и включающая множество разнородных графических объектов для управления работой компьютера. Тем самым реализуется идея создания электронного рабочего стола пользователя, на котором размещаются электронные документы. Принятая концепция графического пользовательского интерфейса характерна для всех программных продуктов под Windows . Это обеспечивает комфортную среду работы пользователя (более подробно этот вопрос мы рассмотрим позже). 3.2.4. Подключение новых периферийных устройств по технологии Plug and Play Для подключения нового периферийного устройства в среде ОС MS-DOS пользователь должен обладать профессиональными знаниями: например, уметь написать файл конфигурации, знать структуру команды подключения необходимого драйвера. В среде Windows эта задача решается достаточно просто. Система самостоятельно создает и изменяет файлы конфигурации, распознает конкретное техническое устройство и производит его автонастройку. Подобная технология получила название Plug and Play – «включай и работай». Дополнительное устройство подключается специальными программами – мастерами, которые могут распознать любое устройство, поддерживающие технологию Plug and Play. Если устройство не поддерживает эту технологию, программы – мастера запрашивают дополнительную информацию в наиболее удобной для пользователя форме, благодаря чему процесс подключения устройств упрощается. 3.2.5. Использование виртуальной памяти Извечная компьютерная проблема – нехватка оперативной памяти – решается в среде Windows с помощью виртуальной (реально не существующей) памяти. Виртуальная память – расширение адресного пространства задачи, полученное за счет использования части внешней памяти. В оперативной памяти всегда находится часть виртуального пространства, выделяемого для решения задачи, остальная его часть располагается на дисковой памяти. Если оперативной памяти не хватает для обеспечения работы текущего (активного) приложения, то приложение или его часть, которые не используют в данный момент микропроцессор, выгружаются (вытесняются) из оперативной памяти на диск. На их место в оперативную память загружается (подкачивается) необходимый фрагмент активного приложения. Когда одному из выгруженных приложений передается управление, оно вновь загружается в оперативную память, что может привести к выгрузке на диск другого, пассивного в данный момент приложения. Т.о., программы циркулируют между диском и оперативной памятью. Поддержка виртуальной памяти позволяет открыть большое количество приложений одновременно, но выгрузка на диск и загрузка с диска снижают производительность компьютера. Используемая для этой цели часть внешней памяти называется файлом подкачки, а описанный процесс подкачки – свопингом. Объем файла подкачки может в несколько раз превышать объем оперативной памяти. Файл подкачки – файл на жестком диске, используемый для организации виртуальной памяти. Настройка виртуальной памяти производится автоматически и вручную. Вручную выполнять настройку может только квалифицированный пользователь. Доступ к настройке виртуальной памяти осуществляется через Панель управления, после открытия значка Система. По умолчанию задан автоматический вариант настройки, т.е. Windows самостоятельно выбирает размер виртуальной памяти, в зависимости от реальной потребности текущей задачи. 3.2.6. Совместимость с ранее созданным программным обеспечением Под совместимостью с ПО понимают способность ОС исполнять программные продукты, созданные в др. ОС. В большинстве случаев ОС Windows обеспечивает такую совместимость на IBM – подобных компьютерах не только для программ ранних версий, но и для программ операционной системы MS-DOS. 3.2.7. Наличие коммуникационных программных средств Важнейшим направлением развития Windows является включение в ее структуру широко используемых и специальных программных средств для поддержки различных коммуникаций и компьютерных сетей. Сетевые средства ОС Windows позволяют: • Обеспечить передачу данных между двумя соединенными кабелями компьютерами с помощью программы Direct Cable Connection; • Организовать электронную почту в локальной и глобальной сети с помощью программы Microsoft Exchange; • Выполнить факсимильную передачу с помощью программы Microsoft Fax; • Обменяться файлами с удаленным компьютером и подключиться к глобальной сети с помощью программы Hyper Terminal; • Организовать одноранговую компьютерную сеть из нескольких компьютеров, причем компьютеры сети могут управляться как Windows 95 , так и Windows 3.1.; • Подключиться к компьютерной сети с выделенным сервером. 3.2.8. Наличие средств мультимедиа ОС Windows 95 обеспечивает интерактивную работу с высококачественным звуком и видео при помощи специальных аппаратных и программных средств. Мультимедиа – компьютер непременно должен иметь звуковую плату, которая обеспечивает преобразование звука в компьютерную форму и обратно, и видео-плату, которая преобразует видеоинформацию в компьютерную и обратно. К звуковой плате подключаются различные акустические системы. Для работы со звуком и видео на компьютере разработано множество программных средств. Минимально необходимый набор таких приложений входит в состав Windows 95. Они обеспечивают проигрывание аудио – компакт – дисков, воспроизведение, запись и редактирование звуковых файлов, просмотр видео- клипов. Информация мультимедиа (т.е. графика, аудио, видео информация) занимает очень много места. Поэтому такая информация, как правило, распространяется на компакт – дисках, и для ее воспроизведения необходимо, чтобы на компьютере был установлен накопитель CD – ROM. 3.2.9. Интеграция с глобальной сетью Интернет Разработчики ОС Windows в последующих версиях (начиная с версии Windows 98) особое внимание уделили развитию ее коммуникационных возможностей. Наиболее ярким внешним новшеством по сравнению с предыдущей версией явилась интеграция ОС с обозревателем Internet Explorer 4.0, предназначенным для просмотра Web-страниц в сети Интернет. Интерфейс пользователя Windows можно настроить на работу в Интернет. В этом случае рабочий стол принимает вид Web-страницы, а ярлыки действуют как Web-ссылки, которые могут указывать не только на файлы компьютера, но и на данные в сети Интернет. Подобный интерфейс является дополнением к традиционному интерфейсу Windows. В число программ, реализующих интеграцию с Интернет, входят: программа Подключения к Интернет, программа электронной почты Outlook Express, программа организации телеконференций и телефонных разговоров по цифровым каналам NetMeeting, редактор Web-страниц Front Page Express. 3.2.10. Повышение надежности и качества управления Повышение надежности обеспечивают как новые, так и модернизированные старые служебные программы, которые выполняют: проверку системных файлов, очистку и проверку диска, автоматическое техническое обслуживание, проверку реестра, архивацию данных и др. Появилась возможность поддержки нескольких мониторов для расширения рабочего стола, выполнение разных программ на разных мониторах, а также возможность выполнения многоэкранных программ или игр. Работа с Windows облегчается за счет таких средств управления, как запуск одним щелчком, выделение значков, кнопки «Вперед» и «Назад» и удобного для настройки Главного меню. Компьютер, оснащенный операционной системой Windows, может работать круглосуточно, выполняя многие функции самостоятельно: Почистить жесткие диски и удалить с них накопившийся за день «мусор»; Проверить состояние жестких дисков и устранить иеющиеся дефекты файловой структуры; Выполнить резервное копирование важнейшей информации; Проверить состояние сжатого тома, провести его переупаковку, повысить степень сжатия редко используемых данных и программ; Обслужить жесткие диски и провести дефрагментацию таким образом, чтобы файлы, последовательно загружающиеся при запуске программ, располагались на диске в порядке их вызова и др. 3.2.11. Повышение надежности Система Windows 98 и последующие версии более производительны по сравнению с предшествующими операционными системами (включая Windows 95). Это обеспечивается благодаря тому, что файловая система FAT-32 позволяет более рационально по сравнению с системой FAT-16 использовать диски. На дисках FAT-32 формируются кластеры меньших размеров, чем на дисках FAT-16, в результате чего повышается эффективность использования диска. В состав Windows 98 (и последующих версий) включена специальная программа, которая позволяет быстро и безопасно преобразовать на диске файловую систему FAT-16 в файловую систему FAT-32. Лекция 3.3. Обслуживание файловой структуры 3.3.1. Функции ОС по обслуживанию файловой структуры Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры. Все необходимые преобразования берет на себя операционная система. К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие операции, происходящие под управлением операционной системы: • Создание файлов и присвоение им имен; • Создание каталогов (папок) и присвоение им имен; • Переименование файлов и каталогов (папок); • Копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами (папками) одного диска; • Удаление файлов и каталогов; • Навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу (папке); • Управление атрибутами файлов. 3.3.2. Создание и именование файлов Файл – это поименованная последовательность байтов произвольной длины. Поскольку из этого определения вытекает, что файл может иметь нулевую длину, то фактически создание файла состоит в присвоении ему имени и регистрации его в файловой системе – это одна из функций ОС. Даже когда мы создаем файл, работая в какой-то прикладной программе, в общем случае для этой операции привлекаются средства ОС. По способам именования файлов различают «короткое» и «длинное» имя. До появления ОС Windows 95 общепринятым способом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3. Согласно этому соглашению, принятому в MS-DOS, имя файла состоит из двух частей: собственно имени и расширения имени. На имя отводится 8 символов, а на его расширение – 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой. Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые символы латинского алфавита. Основным недостатком «коротких» имен является их низкая содержательность. Далеко не всегда удается выразить несколькими символами характеристику файла, поэтому с появлением ОС Windows 95 было введено понятие «длинного» имени. Такое имя может содержать до 256 символов. «Длинное» имя может содержать любые символы, кроме девяти специальные: \ / : * ? “ < > |. В имени разрешается использовать пробели и несколько точек. Расширением имени считаются все символы, идущие после последней точки. Наряду с «длинным» именем ОС Windows создают также и короткое имя файла – оно необходимо для возможности работы с данным файлом на рабочих местах с устаревшими операционными системами. 3.3.3. Особенности Windows Использование «длинных» имен файлов в операционной системе Windows имеет ряд особенностей. 3. Если «длинное» имя файла включает пробелы, то в служебных операциях его надо заключать в кавычки. Рекомендуется не использовать пробелы, а заменять их символами подчеркивания. 4. В корневой папке диска (на верхнем уровне иерархической файловой структуры) нежелательно хранить файлы с длинными именами – в отличие от прочих папок в ней ограничено количество единиц хранения, причем, чем длиннее имена, тем меньше файлов можно разместить в корневой папке. 5. Кроме ограничения на длину имени файла (256 символов) существует гораздо более жесткое ограничение на длину полного имени файла (в него входит путь доступа к файлу, начиная от вершины иерархической структуры). Полное имя не может быть длиннее 260 символов. 6. Разрешается использовать символы любых алфавитов, в том числе и русского. 7. Прописные и строчные буквы не различаются операционной системой. Для нее имена Письмо.txt и письмо.txt соответствуют одному и тому же файлу. Однако, символы разных регистров отображаются ОС и прописные буквы можно использовать. 8. Программисты давно научились использовать расширение имени файла для передачи операционной системе, исполняющей программе или пользователю информации о том, к какому типу относятся данные, содержащиеся в файле, и о формате, в котором они записаны. В ранних ОС этот факт использовался мало. В современных ОС любое расширение имени файла может нести информацию для операционной системы. Системы Windows имеют средства для регистрации свойств типов файлов по расширению их имени, поэтому во многих случаях выбор расширения имени файла не является частным делом пользователя. Приложения этих систем предлагают выбрать только основную часть имени и указать тип файла, а соответствующее расширение имени приписывают автоматически. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое операционная система? 2. Перечислите основные функции операционной системы. 3. Расскажите о видах интерфейса пользователя в разных операционных системах. 4. Перечислите функции операционной системы по обслуживанию файловой структуры. 5. Объясните правила, по которым формируются короткое имя файла и длинное имя файла. Лекция 3.4. Служебное программное обеспечение 3.4.1. Общая характеристика программ служебного уровня Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в авто­матизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих случаях они используются для расширения или улучшения функций систем­ных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это программы обслуживания) изначально включаются в состав операционной системы, но большин­ство служебных программ являются для операционной системы внешними и служат для расширения ее функций. В разработке и эксплуатации служебных программ существует два альтернативных направления: интеграция с операционной системой и автономное функционирование. В первом случае служебные программы могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо связаны с системным программным обеспечением, но предостав­ляют пользователю больше возможностей для персональной настройки их взаимо­действия с аппаратным и программным обеспечением. 3.4.2. Классификация служебного программного обеспечения Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). С помощью программ данного класса выполняется большинство операций, связанных с обслуживанием файловой струк­туры: копирование, перемещение и переименование файлов, создание каталогов (папок), удаление файлов и каталогов, поиск файлов и навигация в файловой струк­туре. Базовые программные средства, предназначенные для этой цели, обычно входят в состав программ системного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой (Например, программа «Проводник»). Для повышения удобства работы с компьютером большинство пользователей устанавливают дополнительные служебные программы. Средства сжатия данных (архиваторы)- предназначены для создания архивов. Архивирование данных упрощает их хранение за счет того, что большие группы файлов и каталогов сводятся в один архивный файл. При этом повышается и эффек­тивность использования носителя за счет того, что архивные файлы обычно имеют повышенную плотность записи информации. Архиваторы часто используют для создания резервных копий ценных данных. Средства просмотра и воспроизведения. Обычно для работы с файлами данных необходимо загрузить их в “родительскую” прикладную систему, с помощью которой они были созданы. Это дает возможность просматривать документы и вносить в них изменения. Но в тех случаях, когда требуется только просмотр без редактирова­ния, удобно использовать более простые и более универсальные средства, позволяю­щие просматривать документы разных типов. В тех случаях, когда речь идет о звукозаписи или видеозаписи, вместо термина просмотр применяют термин воспроизведение документов. Средства диагностики. Предназначены для автоматизации процессов диагностики программного и аппаратного обеспечения. Они выполняют необходимые проверки и выдают собранную информацию в удобном и наглядном виде. Их используют не только для устранения неполадок, но и для оптимизации работы компьютерной системы. Средства контроля (мониторинги). Программные средства контроля иногда назы­вают мониторинг. Они позволяют следить за процессами, происходящими в компью­терной системе. При этом возможны два подхода: наблюдение в реальном режиме времени или контроль с записью результатов в специальном протокольном файле. Первый подход обычно используют при изыскании путей для оптимизации работы вычислительной системы и повышения ее эффективности. Второй подход используют в тех случаях, когда мониторинг выполняется автоматически и (или) дистанционно. В последнем случае результаты мониторинга можно передать удаленной службе технической поддержки для установления причин конфликтов в работе программ­ного и аппаратного обеспечения. Средства мониторинга, работающие в режиме реального времени, особенно полезны для практического изучения приемов работы с компьютером, поскольку позволяют наглядно отображать те процессы, которые обычно скрыты от глаз пользователя. Мониторы установки. Программы этой категории предназначены для контроля за установкой программного обеспечения. Необходимость в данном программном обеспечении связана с тем, что между различными категориями программного обеспе­чения могут устанавливаться связи. Вертикальные связи (между уровнями) являются необходимым условием функционирования всех компьютеров. Горизонтальные связи (внутри уровней) характерны для компьютеров, работающих с операцион­ными системами, поддерживающими принцип совместного использования одних и тех же ресурсов разными программными средствами. И в тех и в других случаях при установке или удалении программного обеспечения могут происходить нару­шения работоспособности прочих программ. Мониторы установки следят за состоянием и изменением окружающей программ­ной среды, отслеживают и протоколируют образование новых связей и позволяют восстанавливать связи, утраченные в результате удаления ранее установленных программ. Простейшие средства управления установкой и удалением программ обычно входят в состав операционной системы и размещаются на системном уровне программного обеспечения, однако они редко бывают достаточны. Поэтому в вычислительных системах, требующих повышенной надежности, используют дополнительные слу­жебные программы. Средства коммуникации (коммуникационные программы). С появлением электрон­ной связи и компьютерных сетей программы этого класса приобрели очень большое значение. Они позволяют устанавливать соединения с удаленными компьютерами, обслуживают передачу сообщений электронной почты, работу с телеконференциями (группами новостей), обеспечивают пересылку факсимильных сообщений и выпол­няют множество других операций в компьютерных сетях. Средства обеспечения компьютерной безопасности. К этой весьма широкой катего­рии относятся средства пассивной и активной защиты данных от повреждения, а также средства защиты от несанкционированного доступа, просмотра и изменения данных. В качестве средств пассивной защиты, используют служебные программы, пред­назначенные для резервного копирования. Нередко они обладают и базовыми свой­ствами диспетчеров архивов (архиваторов). В качестве средств активной защиты применяют антивирусное программное обеспечение. Для защиты данных от несанк­ционированного доступа, их просмотра и изменения служат специальные системы, основанные на криптографии. Лекция 3.5. Прикладное программное обеспечение 3.5.1. Классификация прикладного программного обеспечения Текстовые редакторы. Основные функции этого класса прикладных программ заключаются в вводе и редактировании текстовых данных. Дополнительные функ­ции состоят в автоматизации процессов ввода и редактирования. Для операций ввода, вывода и сохранения данных, текстовые редакторы вызывают и используют системное программное обеспечение. Это характерно и для всех прочих видов прикладных программ. Текстовые процессоры. Основное отличие текстовых процессоров от текстовых редакторов в том, что они позволяют не только вводить и редактировать текст, но и форматировать его, то есть оформлять. Соответственно, к основным средствам текстовых процессоров относятся средства обеспечения взаимодействия текста, графики, таблиц и других объектов, составляющих итоговый документ, а к дополни­тельным — средства автоматизации процесса форматирования. Современный стиль работы с документами подразумевает два альтернативных подхода — работу с бумажными документами и работу с электронными документами (по безбумажной технологии). Поэтому, говоря о форматировании документов средствами текстовых процессоров, надо иметь в виду два принципиально разных направления - форматирование документов, предназначенных для печати, и форма­тирование электронных документов, предназначенных для отображения на экране. Приемы и методы в этих случаях существенно различаются. Соответственно, раз­личаются и текстовые процессоры, хотя многие из них успешно сочетают оба под­хода. Графические редакторы. Это обширный класс программ, предназначенных для создания и (или) обработки графических изображений. В данном классе различают следующие категории: растровые редакторы, векторные редакторы и программные средства для создания и обработки трехмерной графики (ЗВ - редакторы). Растровые редакторы применяют в тех случаях, когда графический объект пред­ставлен в виде комбинации точек, образующих растр и обладающих свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен в тех случаях, когда графическое изобра­жение имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем информация об их форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. Растровые редакторы широко применяются для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и художественных композиций (коллажей). Возможности создания новых изображений средствами растровых редакторов огра­ничены и не всегда удобны. В большинстве случаев художники предпочитают пользо­ваться традиционными инструментами, после чего вводить рисунок в компьютер с помощью специальных аппаратных средств (сканеров) и завершать работу с помощью растрового редактора путем применения спецэффектов. Векторные редакторы отличаются от растровых способом представления данных об изображении. Элементарным объектом векторного изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для чертежно-графических работ, в которых форма линий имеет большее значение, чем информация о цвете отдельных точек, составляющих ее. В векторных редакторах каждая линия рассматривается как матема­тическая кривая третьего порядка и, соответственно, представляется не комбинацией точек, а математической формулой (в компьютере хранятся числовые коэффициенты этой формулы). Такое представление намного компактнее, чем растровое, соответ­ственно данные занимают много меньше места, однако построение любого объекта выполняется не простым отображением точек на экране, а сопровождается непрерыв­ным пересчетом параметров кривой в координаты экранного или печатного изобра­жения. Соответственно, работа с векторной графикой требует более производитель­ных вычислительных систем. Из элементарных объектов (линий) создаются простейшие геометрические объекты (примитивы) из которых, в свою очередь, составляются законченные композиции. Художественная иллюстрация, выполненная средствами векторной графики, может содержать десятки тысяч простейших объектов, взаимодействующих друг с другом. Векторные редакторы удобны для создания изображений, но практически не исполь­зуются для обработки готовых рисунков. Они нашли широкое применение в реклам­ном бизнесе, их применяют для оформления обложек полиграфических изданий и всюду, где стиль художественной работы близок к чертежному. Редакторы трехмерной графики используют для создания трехмерных композиций. Они имеют две характерные особенности. Во-первых, они позволяют гибко управ­лять взаимодействием свойств поверхности изображаемых объектов со свойствами источников освещения и, во-вторых, позволяют создавать трехмерную анимацию. Поэтому редакторы трехмерной графики нередко называют также ЗВ-аниматорами. Системы управления базами данных. Базами данных называют огромные массивы данных, организованных в табличные структуры. Основными функциями систем управления базами данных являются: • создание пустой (незаполненной) структуры базы данных; • предоставление средств ее заполнения или импорта данных из таблиц другой базы; • обеспечение возможности доступа к данным, а также предоставление средств поиска и фильтрации. Многие системы управления базами данных дополнительно предоставляют воз­можности проведения простейшего анализа данных и их обработки. В результате возможно создание новых таблиц баз данных на основе имеющихся. В связи с широким распространением сетевых технологий к современным системам управ­ления базами данных предъявляется также требование возможности работы с уда­ленными и распределенными ресурсами, находящимися на серверах всемирной компьютерной сети. Электронные таблицы. Электронные таблицы предоставляют комплексные сред­ства для хранения различных типов данных и их обработки. В некоторой степени они аналогичны системам управления базами данных, но основной акцент смещен не на хранение массивов данных и обеспечение к ним доступа, а на преобразова­ние данных, причем в соответствии с их внутренним содержанием. В отличие от баз данных, которые обычно содержат широкий спектр типов данных (от числовых и текстовых до мультимедийных), для электронных таблиц характерна повышенная сосредоточенность на числовых данных. Зато электронные таблицы предоставляют более широкий спектр методов для работы с данными числового типа. Основное свойство электронных таблиц состоит в том, что при изменении содержа­ния любых ячеек таблицы может происходить автоматическое изменение содер­жания во всех прочих ячейках, связанных с измененными соотношением, заданным математическими или логическими выражениями (формулами). Простота и удобство работы с электронными таблицами снискали им широкое применение в сфере бухгал­терского учета, в качестве универсальных инструментов анализа финансовых, сырье­вых и товарных рынков, доступных средств обработки результатов технических испы­таний, то есть всюду, где необходимо автоматизировать регулярно повторяющиеся вычисления достаточно больших объемов числовых данных. Системы автоматизированного проектирования ( CAD-системы) - предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ. Применяются в машинострое­нии, приборостроении, архитектуре. Кроме чертежно-графических работ эти сис­темы позволяют проводить простейшие расчеты (например, расчеты прочности деталей) и выбор готовых конструктивных элементов из обширных баз данных. Отличительная особенность CAD-систем состоит в автоматическом обеспечении на всех этапах проектирования технических условий, норм и правил, что освобождает конструктора (или архитектора) от работ нетворческого характера. Например, в машиностроении CAD-системы способны на базе сборочного чертежа изделия авто­матически выполнить рабочие чертежи деталей, подготовить необходимую техноло­гическую документацию с указанием последовательности переходов механической обработки, назначить необходимые инструменты, станочные и контрольные приспо­собления, а также подготовить управляющие программы для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), промышленных роботов и гибких автоматизиро­ванных линий. Сегодня системы автоматизированного проектирования являются необходимым компонентом, без которого теряется эффективность реализации гиб­ких производственных систем (ГПС) и автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУТП). Настольные издательские системы. Назначение программ этого класса состоит в автоматизации процесса верстки полиграфических изданий. Этот класс программ­ного обеспечения занимает промежуточное положение между текстовыми процессо­рами и системами автоматизированного проектирования. Теоретически текстовые процессоры предоставляют средства для внедрения в тек­стовый документ объектов другой природы, например объектов векторной и растро­вой графики, а также позволяют управлять взаимодействием между параметрами текста и параметрами внедренных объектов. Однако на практике для изготовления полиграфической продукции эти средства либо функционально недостаточны с точки зрения требований полиграфии, либо недостаточно удобны для производи­тельной работы. От текстовых процессоров настольные издательские системы отличаются расширен­ными средствами управления взаимодействием текста с параметрами страницы и с графическими объектами. С другой стороны, они отличаются пониженными функ­циональными возможностями по автоматизации ввода и редактирования текста. Типичный прием использования настольных издательских систем состоит в том, что их применяют к документам, прошедшим предварительную обработку в тексто­вых процессорах и графических редакторах. Экспертные системы. Предназначены для анализа данных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросу пользователя. Такие системы применяют в тех случаях, когда исходные данные хорошо формализуются, но для принятия реше­ния требуются обширные специальные знания. Характерными областями исполь­зования экспертных систем являются юриспруденция, медицина, фармакология, химия. По совокупности признаков заболевания медицинские экспертные системы помогают установить диагноз и назначить лекарства, дозировку и программу лечеб­ного курса. По совокупности признаков события юридические экспертные системы могут дать правовую оценку и предложить порядок действий, как для обвиняющей стороны, так и для защищающейся. Характерной особенностью экспертных систем является их способность к саморазви­тию. Исходные данные хранятся в базе знаний в виде фактов, между которыми с помощью специалистов-экспертов устанавливается определенная система отно­шений. Если на этапе тестирования экспертной системы устанавливается, что она дает некорректные рекомендации и заключения по конкретным вопросам или не может дать их вообще, это означает либо отсутствие важных фактов в ее базе, либо нарушения в логической системе отношений. И том и в другом случае экспертная система сама может сгенерировать достаточный набор запросов к эксперту и авто­матически повысить свое качество. С использованием экспертных систем связана особая область научно-технической деятельности, называемая инженерией знаний. Инженеры знаний — это специалисты особой квалификации, выступающие в качестве промежуточного звена между раз­работчиками экспертной системы (программистами) и ведущими специалистами в конкретных областях науки и техники (экспертами). Редакторы HTML (Web-редакторы). Это особый класс редакторов, объединяющих в себе свойства текстовых и графических редакторов. Они предназначены для созда­ния и редактирования, так называемых Web-документов (Web-страниц Интернета). Web-документы — это электронные документы, при подготовке которых следует учи­тывать ряд особенностей, связанных с приемом/передачей информации в Интернете. Теоретически для создания Web-документов можно использовать обычные тексто­вые редакторы и процессоры, а также некоторые из графических редакторов вектор­ной графики, но Web-редакторы обладают рядом полезных функций, повышающих производительность труда Web-дизайнеров. Программы этого класса можно также эффективно использовать для подготовки электронных документов и мультимедийных изданий. Броузеры (обозреватели, средства просмотра Web). К этой категории относятся программные средства, предназначенные для просмотра электронных документов, выполненных в формате HTML (документы этого формата используются в качестве Web-документов). Современные броузеры воспроизводят не только текст и графику. Они могут воспроизводить музыку, человеческую речь, обеспечивать прослушивание радиопередач в Интернете, просмотр видеоконференций, работу со службами элект­ронной почты, с системой телеконференций (групп новостей) и многое другое. Интегрированные системы делопроизводства. Представляют собой программные средства автоматизации рабочего места руководителя. К основным функциям подоб­ных систем относятся функции создания, редактирования и форматирования простей­ших документов, централизация функций электронной почты, факсимильной и телефонной связи, диспетчеризация и мониторинг документооборота предприятия, координация деятельности подразделений, оптимизация административно-хозяй­ственной деятельности и поставка по запросу оперативной и справочной инфор­мации. Бухгалтерские системы. Это специализированные системы, сочетающие в себе функции текстовых и табличных редакторов, электронных таблиц и систем управле­ния базами данных. Предназначены для автоматизации подготовки первичных бухгалтерских документов предприятия и их учета, для ведения счетов плана бух­галтерского учета, а также для автоматической подготовки регулярных отчетов по итогам производственной, хозяйственной и финансовой деятельности в форме, принятой для предоставления в налоговые органы, внебюджетные фонды и органы статистического учета. Несмотря на то что теоретически все функции, характерные для бухгалтерских систем, можно исполнять и другими вышеперечисленными программными средствами, использование бухгалтерских систем удобно благодаря интеграции разных средств в одной системе. При решении о внедрении на предприятии автоматизированной системы бухгал­терского учета необходимо учитывать необходимость наличия в ней средств адап­тации при изменении нормативно-правовой базы. В связи с тем, что в данной области нормативно-правовая база в России отличается крайней нестабильностью и подвер­жена частым изменениям, возможность гибкой перенастройки системы является обязательной функцией, хотя это требует от пользователей системы повышенной квалификации. Финансовые аналитические системы. Программы этого класса используются в банковских и биржевых структурах. Они позволяют контролировать и прогнозиро­вать ситуацию на финансовых, товарных и сырьевых рынках, производить анализ текущих событий, готовить сводки и отчеты. 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, создания видеоэффектов, устранения дефектов, наложения звука, титров и субтитров. Отдельные категории прикладных программных средств, обладающие своими раз­витыми внутренними системами классификации, представляют обучающие, разви­вающее, справочные и развлекательные системы и программы. Характерной особен­ностью этих классов программного обеспечения являются повышенные требования к мультимедийной составляющей (использование музыкальных композиций, средств графической анимации и видеоматериалов). 3.5.2. Понятие об информационном и математическом обеспечении вычислительных систем Наряду с аппаратным и программным обеспечением средств вычислительной техники в некоторых случаях целесообразно рассматривать информационное обеспечение, под которым понимают совокупность программ и предварительно подготовленных данных, необходимых для работы данных программ. Рассмотрим, например, систему автоматической проверки орфографии в редакти­руемом тексте. Ее работа заключается в том, что лексические единицы исходного текста сравниваются с заранее заготовленным эталонным массивом данных (слова­рем). В данном случае для успешной работы системы необходимо иметь кроме аппа­ратного и программного обеспечения специальные наборы словарей, подключаемые извне. Это пример информационного обеспечения вычислительной техники. В специализированных компьютерных системах (бортовых компьютерах автомоби­лей, судов, ракет, самолетов, космических летательных аппаратов и т. п.) совокупность программного и информационного обеспечения называют математическим обеспе­чением. Как правило, оно “жестко” записывается в микросхемы ПЗУ и может быть изменено только путем замены ПЗУ или его перепрограммирования на специальном оборудовании. Вопросы для самоконтроля 1. В чем вы видите диалектический характер связи между программным обеспече­нием и аппаратным? 2. Назовите четыре основных уровня программного обеспечения. Каков порядок их взаимодействия? 3. К какому классу относятся программные средства, встроенные в видеомагнито­фон, программируемую стиральную машину, СВЧ - печь? 4. В чем преимущества и недостатки выполнения офисных работ (например, копировально-множительных) аппаратными и программными средствами? 5. Какие категории программного обеспечения могут быть использованы в работе малого предприятия, и для каких целей? 6. Какие виды работ, характерные для крупного промышленного предприятия (например, машиностроительного завода), могут быть автоматизированы с помощью компьютеров? Какие категории программных средств для этого необходимы? 7. Назовите основные категории программного обеспечения, относящиеся к классу графических редакторов. В чем состоит принципиальная разница между этими категориями? 8. Что общего и в чем различие между понятиями программное обеспечение и инфор­мационное обеспечение средств вычислительной техники? Лекция 4.1. Моделирование как метод познания 4.1.1. Классификация задач, решаемых с помощью моделей Задачи, которые решает человек можно разделить на две категории: вычислительные, целью которых является определение некоторой величины, и функциональные, предназначенные для создания некоего аппарата, выполняющего определенные действия – функции. Например, проектирование нового здания требует решения задачи расчета прочности фундамента, несущих опорных конструкций, расчета финансовых затрат, определение оптимального числа работников и т.д. Для повышения производительности труда строителей создано немало машин функционального назначения (т.е. решены функциональные задачи), такие, как экскаватор, бульдозер, подъемный кран и т.д. С точки зрения информатики, решение любой задачи представляют замкнутую технологическую последовательность (рис. 4.1.): Рис. 4.1. Этапы решения задач 4.1.2. Основные понятия Каждый элемент в этом ряду играет свою особую роль. Объектом (от латинского Objectum – предмет) называется все то, что противостоит субъекту в его практической и познавательной деятельности, на что направлена эта деятельность. Под объектами понимаются предметы и явления, как доступные, так и недоступные чувственному восприятию человека, но имеющие видимое влияние на другие объекты (например, гравитация, инфразвук или электромагнитные волны). Объект всегда должен рассматриваться во взаимодействии с другими объектами, с учетом их взаимодействия. Деятельность человека обычно идет по двум направлениям: исследование свойств объекта с целью их использования (или нейтрализации); создание новых объектов, имеющих полезные свойства. Первое направление относится к научным исследованиям и большую роль при их проведении имеет гипотеза, т.е. предсказание свойств объекта при недостаточной его изученности. Второе относится к инженерному проектированию. При этом важную роль играет понятие аналогии – суждении о каком-либо сходстве известного и проектируемого объекта. Аналогия может быть полной или частичной. Это понятие относительно и определяется уровнем абстрагирования и целью построения аналогии. Любой аналог (образ) какого-либо объекта, процесса или явления, используемый в качестве заменителя (представителя) оригинала, называется моделью (от латинского modulus – образец). Исследование объектов, процессов или явлений путем построения и изучения их моделей для определения или уточнения характеристик оригинала называется моделированием. Можно сказать, что моделирование – это представление объекта путем проведения экспериментов с его моделью. Теория замещения объектов-оригиналов объектом-моделью называется теорией моделирования. Если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования поведения исследуемых объектов, то говорят, что модель адекватна объекту. Степень адекватности зависит от цели и критериев моделирования. Теория моделирования рассматривает две группы способов моделирования: аналитическое и имитационное. Аналитическое моделирование заключается в построении модели, основанной на описании поведения объекта или системы объектов в виде аналитических выражений – формул. При таком моделировании объект описывается системой линейных или нелинейных алгебраических или дифференциальных уравнений, решение которых может дать представление о свойствах объекта. К полученной аналитической модели, с учетом вида и сложности формул применяются аналитические или приближенные численные методы. Численные методы обычно реализуются на вычислительных машинах. Применение аналитического моделирования ограничено сложностью получения и анализа выражений для большинства систем. Имитационное моделирование предполагает построение модели с характеристиками, адекватными оригиналу, на основе какого-либо его физического или информационного принципа. Это означает, что внешние воздействия на модель и объект вызывают идентичные изменения свойств оригинала и модели. При таком моделировании отсутствует общая аналитическая модель большой размерности, а объект представлен системой элементов, взаимодействующих между собой и с внешним миром. Задавая внешние воздействия, можно получить характеристики системы и провести их анализ. В последнее время имитационное моделирование все больше реализуют моделированием объектов на компьютере, что позволяет в интерактивном режиме исследовать модели самых разных по природе объектов. 4.1.3. Цели моделирования Практически во всех науках о природе, живой и неживой, об обществе, построение и использование моделей является мощным орудием познания. Реальные объекты и процессы бывают столь многогранны и сложны, что лучшим способом их изучения часто является построение модели, отображающей лишь какую-то грань реальности и потому многократно более простой, чем эта реальность, и исследование вначале этой модели. Модели используются для решения всевозможных задач. Из этого множества можно выделить основные цели использования моделей: 1) понять, как устроен конкретный объект, какова его структура, основные свойства, законы развития и взаимодействия с окружающим миром (понимание); 2) научиться управлять объектом (или процессом) и определять наилучшие способы управления при заданных целях и критериях (управление); 3) прогнозировать прямые и косвенные последствия реализации заданных способов и форм воздействия на объект (прогнозирование). Лекция 4.2. Методы и технологии моделирования 4.1.2. Системный подход в моделировании систем Классический (или индуктивный) подход к моделированию рассматривает систему, переходя от частного к общему, и синтезирует ее путем слияния компонент, разрабатываемых отдельно. Системный подход предполагает последовательный переход от общего к частному, когда в основе рассмотрения лежит цель, при этом объект выделяется из окружающего мира. При создании нового объекта с полезными свойствами задаются критерии, определяющие степень полезности полученных свойств. Так как любой объект моделирования представляет собой систему взаимосвязанных элементов, введено понятие системы. Система S – есть целенаправленное множество взаимосвязанных элементов любой природы. Внешняя среда E представляет собой множество существующих вне системы элементов любой природы, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее воздействием. При системном моделировании, прежде всего, четко определяется цель моделирования. Создание модели полного аналоги оригинала дело трудоемкое и дорогое, поэтому модель создается под определенную цель. Важным для системного подхода является определение структуры системы - совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие. Существует ряд подходов к исследованию системы и ее свойств, к которым относятся структурный и функциональный. При структурном, выявляется состав выделенных элементов системы S и связи между ними. Совокупность элементов и связей позволяет судить о свойствах выделенной части системы. При функциональном подходе рассматриваются функции (алгоритмы) поведения системы, причем, каждая функция описывает поведение одного свойства при внешнем воздействии E. Такой подход не требует знания структуры системы, а ее описание состоит из набора функций ее реакции на внешние воздействия. Классический метод построения модели использует функциональный подход. В качестве элемента модели принимается компонента, описывающая поведение одного свойства и не отображающая реальный состав элементов. Компоненты изолированы друг от друга, что плохо отражает моделируемую систему. Такой метод построения модели применим лишь для простых систем, т.к. требует включения в состав функций, описывающих свойства системы, отношения между свойствами, которые могут быть плохо определены или неизвестны. С усложнением моделируемых систем, когда невозможно учесть все взаимовлияния свойств, применяется системный метод, основанный на структурном подходе. При этом система S разбивается на ряд подсистем Si со своими свойствами, которые, проще описать функциональными зависимостями, и определяются связи между подсистемами. В этом случае система функционирует в соответствии со свойствами отдельных подсистем и связей между ними. Это избавляет от необходимости описывать функционально взаимосвязи между свойствами системы S, что делает модель более гибкой, т.к. изменение свойств одной из подсистем автоматически изменяет свойства системы. Лекция 4.3. Классификация моделей В зависимости от характера изучаемых процессов в системе S и цели моделирования существует множество типов моделей и способов их классификации, например, по цели использования, наличию случайных воздействий отношению ко времени, возможности реализации, области применения и др. 4.3.1 Классификация видов моделирования По цели использования По наличию воздействий на систему По отношению ко времени По возможности реализации По области применения Научный эксперимент. Детерминиро- ванные. Статические. Мысленные (наглядные, символические, математические). Универсаль-ные. Комплексные испытания и производственный эксперимент. Стохастические. Динамические (дискретные, непрерывные). Реальные (натурные, физические). Специализи- рованные. Оптимизационные модели. Информационные. По цели использования: В научном эксперименте осуществляется исследование модели с применением различных средств получения данных об объекте, возможности влияния на ход процесса, с целью получения новых данных об объекте, процессе или явлении; Комплексные испытания и производственный эксперимент используют натурное испытание физического объекта для получения высокой достоверности о его характеристиках; Оптимизационные связаны с нахождением оптимальных показателей системы (например, нахождение минимальных затрат или определение максимальной прибыли). По наличию воздействий на систему: Детерминированные – в системах отсутствуют случайные воздействия; Стохастические – в системах присутствуют вероятностные воздействия. Эти же модели классифицируют по способу оценки параметров системы: в детерминированных системах параметры модели оцениваются одним показателем для конкретных значений их исходных данных; в стохастических системах наличие вероятностных характеристик исходных данных, позволяет оценивать параметры системы несколькими показателями. По отношению ко времени: Статические модели описывают систему в определенный момент времени; Динамические модели рассматривают поведение системы во времени. Они подразделяются на дискретные, в которых все события происходят по интервалам времени, и непрерывные, где все события происходят непрерывно во времени. По возможности реализации: Мысленные модели описывают систему, которую трудно или невозможно моделировать реально. Мысленные модели разделяются на: Наглядные - при которых моделируемые процессы и явления протекают наглядно; Символические – модель системы представляет логический объект, в котором основные свойства и отношения реального объекта выражены системой знаков и символов; Математические – представляют системы математических объектов, позволяющих получать исследуемые характеристики реального объекта. Реальные модели системы представлены либо реальным объектом, либо его частью. Эти модели делятся на: натурные – проведение исследования на реальном объекте и последующая обработка результатов эксперимента с применением теории подобия; физические – проведение исследования на установках, которые сохраняют природу явления и обладают физическим подобием. Информационные модели реализуют информационные процессы (возникновение, передачу, обработку и использование информации) на компьютере. По области применения: Универсальные модели предназначены для использования многими системами; Специализированные модели созданные для исследования конкретной системы. Вопросы для самоконтроля 1. Укажите типы задач, которые решаются с помощью компьютера. 2. Что называется моделированием? 3. Что отражает модель объекта? 4. Для чего может быть построена модель? 5. К какому типу моделей можно отнести тренажеры? 6. Сколько моделей может иметь один прототип? 7. Какие модели называются стохастическими? 8. Какие модели называются детерминированными? 9. Перечислите последовательность этапов решения любой задачи. ДЕ5. Алгоритмизация и программирование. Языки программирования высокого уровня Лекция 5.1. Алгоритмизация 5.1.1. Понятие алгоритма Слово «алгоритм» происходит от «algorithmi» – латинской формы описания имени великого узбекского математика IХ в. аль - Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметических действий. Первоначально под алгоритмом и понимали только правила выполнения четырех арифметических действий над многозначными числами. Понятие алгоритма – одно из фундаментальных понятий информатики. Алгоритм – это формальное описание способа решения задачи, путем разбиения ее на конечную по времени последовательность действий (элементарных операций). Под словом «формальное» подразумевается, что описание должно быть абсолютно полным и учитывать все возможные ситуации, которые могут встретиться по ходу решения. Под элементарной операцией понимается действие, которое по определенным критериям (например, очевидности) не имеет смысла детализировать. Алгоритм на выбранном языке программирования записывается с помощью команд описания данных, вычисления значений и управления последовательностью выполнения программ. 5.1.2. Свойства алгоритма Алгоритм должен быть составлен таким образом, чтобы исполнитель, в расчете на которого он создан, мог однозначно и точно следовать командам алгоритма и эффективно получать определенный результат. Это накладывает на записи алгоритма ряд обязательных требований, суть которых вытекает из приведенного выше неформального толкования понятия алгоритма. Сформулируем эти требования в виде перечня свойств, которым должны удовлетворять алгоритмы. Дискретность (разрывность) – это свойство алгоритма, характеризующее его структуру: каждый алгоритм состоит из отдельных законченных действий. Говорят: «Делится на шаги». Массовость – применимость алгоритма ко всем задачам рассматриваемого типа, при любых исходных данных. Например, алгоритм решения квадратного уравнения в области действительных чисел должен содержать все возможные исходы решения, т.е., рассмотрев значения дискриминанта, алгоритм находит либо два различных корня, либо два равных, либо делает вывод о том, что действительных корней нет. Определенность (детерминированность, точность) – свойство алгоритма, указывающее на то, что каждый шаг алгоритма должен быть строго определен, и не допускать различных толкований; также строго должен быть определен порядок выполнения отдельных шагов. В алгоритмах недопустимы ситуации, когда после выполнения очередной команды исполнителю неясно, какая из команд алгоритма должна выполняться на следующем шаге. Результативность – свойство, состоящее в том, что любой алгоритм должен завершаться за конечное число шагов. Вывод о том, что решения не существует – тоже результат. Вопрос о рассмотрении бесконечных алгоритмов остается за рамками теории алгоритмов. Формальность – это свойство указывает на то, что любой исполнитель, способный воспринимать и выполнять инструкции алгоритма, действует формально, т.е. отвлекается от содержания поставленной задачи и лишь строго выполняет инструкции. Рассуждать «что, как и почему?» должен разработчик алгоритма, а исполнитель формально (не думая) поочередно исполняет предложенные команды и получает необходимый результат. 5.1.3. Способы описания алгоритмов Существуют несколько способов описания алгоритма: словесное, псевдокод, блок-схема, программа. Словесное описание представляет структуру алгоритма на естественном языке. Запись алгоритма осуществляется в произвольной форме, никаких правил не существует. Псевдокод – описание структуры алгоритма на естественном, частично формализованном языке, позволяющее выявить основные этапы решения задачи, перед точной его записью на языке программирования. В псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и общепринятая математическая символика. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором используемых слов и конструкций. Блок-схема – описание структуры алгоритма с помощью геометрических фигур с линиями – связями, показывающими порядок выполнения отдельных инструкций. В блок – схеме каждой формальной конструкции соответствует определенная геометрическая фигура или связанная линиями совокупность фигур. Основные конструкции, использующиеся для построения блок – схем. - начало/конец алгоритма - процесс, предназначенный для описания отдельных действий ввод/вывод с неопределенного носителя Нет Да - проверка условия • - предопределенный процесс, предназначенный для • обращения к подпрограмме. Лекция 5.2. Схемы алгоритма 5.2.1. Алгоритмы решения задач Логическая структура алгоритма решения любой задачи может быть выражена комбинацией трех базовых структур: следования, ветвления и цикла (это содержание теоремы Бема – Якопини). Линейная структура (следование) самая важная из структур. Она означает, что действия могут быть выполнены друг за другом (рис. 5.2.1.). Вход Выход Прямоугольники могут представлять как одну единственную команду, так и множество операторов, необходимых для выполнения сложной обработки данных. Пример 5.2.1. Опишем алгоритм сложения двух чисел на псевдокоде и в виде блок-схемы (рис. 5.2.2.). 1. Псевдокод: 2. Ввод двух чисел a, b 3. Вычисляем сумму S = a + b 4. Вывод S 5. Конец. Рис. 5.2.2. Схема к примеру 5.2.1. Ветвление (развилка) – это структура, обеспечивающая выбор между двумя альтернативами. Выполняется проверка условия, а затем выбирается один из путей (рис. 5.2.3). Вход Ложь (НЕТ) Истина (ДА) Выход Рис. 5.2.3. Полное ветвление Если условие имеет значение «Истина», то выполняется «Действие А». Если условие имеет значение «Ложь», выполняется «Действие В». Эта структура называется, также «Если – ТО – ИНАЧЕ» или «развилка». Каждый путь (ТО или ИНАЧЕ) ведет к общей точке слияния, так что выполнение алгоритма продолжается независимо от того, какой путь был выбран. Может оказаться, что для одного из результатов проверки ничего выполнять не надо. В этом случае можно применить только один обрабатывающий блок (рис. 5.2.4). Вход ДА НЕТ Выход Рис. 5.2.4. Структура «неполное ветвление» Такая структура называется «неполным ветвлением» или «неполной развилкой». Пример 5.2.2. Вывести значение наибольшего числа из двух чисел (рис. 5.2.5). Псевдокод: 1. Ввод двух чисел a, b 2. ЕСЛИ a>b, ТО «выводим a», ИНАЧЕ «выводим b» 3. Конец. НЕТ ДА Рис. 5.2.5. Схема к примеру 5.2.2. Цикл (или повторение) предусматривает повторное выполнение некоторого набора команд алгоритма. Циклы позволяют записать длинные последовательности операций обработки данных с помощью небольшого числа повторяющихся команд. Различают два типа циклов: «цикл с предусловием» и «цикл с постусловием». Цикл с предусловием («Пока») (рис. 5.2.6). Истина Выход Ложь Рис. 5.2.6. Структура цикла «Пока». Цикл начинается с проверки логического выражения. Если оно истинно, то выполняется тело цикла, затем все повторяется, пока логическое выражение сохраняет значение «истина». Как только оно становится ложным, выполнение операций прекращается и управление передается дальше. Особенностью цикла с предусловием является то, что если изначально логическое выражение имеет значение «ложь», то тело цикла не выполнится ни разу. Пример 5.2.3. Вычислить сумму 100 чисел (рис. 5.2.7). Псевдокод: 1. НАЧ 2. I =1; S = 0 3. ПОКА i<=100 делать НЦ 4. Ввести ai 5. S = S + ai 6. i = i + 1 КЦ 7. Вывод S 8. Конец. НЕТ ДА Рис. 5.2.7. Схема к примеру 5.2.3 с циклом «Пока» Цикл с постусловием («До»). В отличие от цикла с предусловием, тело цикла с постусловием всегда будет выполнено хотя бы один раз, после чего проверяется условие. В этой конструкции тело цикла будет повторяться до тех пор, пока значение логического выражения ложно. Как только оно становится истинным, выполнение тела цикла прекращается (рис. 5.2.8). Вход Истина Ложь Выход Рис. 5.2.8. Структура «цикла с постусловием». Пример 5.2.4. Вывести максимальное значение из 100 натуральных чисел (рис. 5.2.9). Псевдокод: 1. Начало 2. Ввести a1 3. max = a1; i = 2 4. НЦ a. Ввести ai b. ЕСЛИ max < ai ТО max = ai c. i = i + 1 5. ДО I>100; 6. КЦ 7. Вывести max. 8. Конец. Истина Ложь Истина Рис. 5.2.9. Блок – схема к примеру 5.2.4. с циклом «До» Базовые алгоритмические структуры можно комбинировать одну с другой – как путем организации их следования, так и путем создания суперпозиций (вложений одной структуры в другую). Используя описанные структуры, можно полностью исключить использование каких-либо еще операторов условного и безусловного перехода, что является важным признаком структурного программирования. Приведем несколько примеров (рис. 5.2.10, 5.2.11, 5.2.12, 5.2.13). - + - + Рис. 5.2.10. Алгоритм типа «развилка, вложенная в цикл, с предусловием», для нахождения суммы положительных чисел и N возможных - + - + Рис. 5.2.11. Алгоритм типа «цикл, с предусловием, вложенный в неполную развилку» - + Рис. 5.2.12. Алгоритм типа «неполная развилка, вложенная в пол- - + ную развилку». Вопросы для самоконтроля 1. Дайте определение алгоритма и поясните его. 2. Какие формы представления алгоритма вы знаете? 3. В чем особенности графического представления алгоритма? 4. Назовите основные (базовые) алгоритмические структуры? 5. Перечислите свойства алгоритмов и объясните, чем они определены. Лекция 5.3. Программирование 5.3.1. Языки программирования Языки программирования - это искусственные языки. От естественных они отличаются ограниченным числом «слов», значение которых понятно транслятору, и очень строгими правилами записи команд (операторов). Транслятор-это специальное служебное приложение, которое либо переводит текст программы в машинный код, либо исполняет его. С помощью языка программирования создается не готовая программа, а только ее текст, описывающий ранее разработанный алгоритм. Чтобы получить работающую программу, надо этот текст либо автоматически перевести в машинный код (для этого служат программы - компиляторы) и затем использовать отдельно от исходного текста, либо сразу выполнять команды языка, указанные в тексте программы (этим занимаются программы-интерпретаторы). Компиляторы полностью обрабатывают текст программы (исходный код). Они просматривают его в поисках синтаксических ошибок, выполняют определенный смысловой анализ и затем автоматический перевод (транслируют) на машинный язык - генерируют машинный код. Интерпретатор моделирует некую виртуальную вычислительную машину, для которой базовыми инструкциями служат не элементарные команды процессора, а операторы языка программирования. 5.3.2. Уровни языков программирования Разные типы процессов имеют разные наборы команд. Если язык программирования ориентирован на конкретный тип процессора и учитывает его особенности, то он называется языком программирования низкого уровня. В данном случае «низкий» не значит «плохой». Имеется ввиду, что операторы языка близки к машинному коду и ориентированы на конкретные команды процессора. Языком низкого уровня является язык ассемблера, который просто представляет каждую команду машинного кода, но не в виде чисел, а с помощью символьных, условных обозначений, называемых мнемониками. Однозначное преобразование одной машинной инструкции в одну команду ассемблера называют транслитерацией. Так как наборы инструкций для каждой модели процессора отличаются, конкретной компьютерной архитектуре соответствует свой язык ассемблера, написанная на нем программа может быть использована только в этой среде. С помощью языков низкого уровня создаются очень эффектные и компактные программы, так как разработчик получает доступ ко всем возможностям процессора. С другой стороны, при этом требуется очень хорошо понимать устройства компьютера, затрудняется отладка больших приложений, а результирующая программа не может быть перенесена на компьютер с другим типом процессора. Подобные языки обычно применяют для написания небольших системных приложений, драйверов устройств, модулей стыковки с нестандартным оборудованием, когда важнейшими требованиями становятся компактность, быстродействие и возможность прямого доступа к аппаратным ресурсам. В некоторых областях, например в машинной графике, на языке ассемблера пишутся библиотеки, эффективно реализующие требующие интенсивных вычислений алгоритмы обработки изображения. Языки программирования высокого уровня значительно ближе и понятнее человеку, нежели компьютеру. Особенности конкретных компьютерных архитектур в них не учитываются, поэтому создаваемые программы на уровне исходных текстов легко переносимы на другие платформы. Разрабатывать программы на языках высокого уровня с помощью понятных и мощных команд значительно проще, а ошибок при создании программы допускается гораздо меньше. 5.3.3. Поколение языков программирования Языки программирования принято делить на пять поколений. В первое входят языки, созданные в начале 50-х годов, когда первые компьютеры только появились на свет. Это был первый язык ассемблера, созданный по принципу «одна инструкция - одна строка». Расцвет второго поколения языков программирования пришелся на конец 50-х начало 60-х годов. Тогда был разработан символический ассемблер, в котором появилось понятие переменной. Он стал первым полноценным языком программирования. Благодаря его возникновению заметно возросли скорость разработки и надежность программ. Появление третьего поколения принято относить к 60-м годам. В это время родились универсальные языки высокого уровня, с их помощью удается решать задачи из любых областей. Такие качества новых языков, как относительная простота, независимость от конкретного компьютера, позволили резко повысить производительность труда программиста. Благодаря понятной структуре этих языков, значительное число специалистов некомпьютерных областей могли написать небольшие программы. Подавляющее большинство языков этого поколения успешно применяется и сегодня. С начала 70-х годов по настоящее время продолжается период языков 4-го поколения. Эти языки предназначены для реализации крупных проектов, повышения их надежности и скорости создания. Они обычно ориентированы на специализированные области применения , где хороших результатов можно добиться , используя не универсальные, а проблемно ориентированные языки, оперирующие конкретными понятиями узкой предметной области . Как правило, в эти языки встраиваются мощные операторы, позволяющие одной строкой описать такую функциональность, для реализации которой на языках младших поколений потребовались бы тысячи строк исходного кода. Рождение языков пятого поколения произошло в середине 80-х годов. К ним относятся также системы автоматического создания прикладных программ с помощью визуальных средств разработки, без знания программирования. Главная идея заключается в возможности автоматического формирования результирующего текста на универсальных языках программирования. Инструкции же вводятся в компьютер в максимально наглядном виде с помощью методов, наиболее удобных для человека, незнакомого с программированием. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое язык программирования? 2. В чем различие компиляторов и интерпретаторов? 3. Объясните термин «язык низкого уровня» и «язык высокого уровня». 4. Расскажите о поколениях языков программирования. Лекция 6.1. Системы программирования Процесс создания программы включает: Составление исходного кода программ (рис. 6.1) на языке программирования; Этап трансляции, необходимый для создания объектного кода программы; Построение загрузочного модуля, готового к исполнению. Все перечисленные выше действия требуют наличия специальных программных средств. Трансляция Редактор Связей связей Рис. 6.1. Процесс создания программы, готовой к исполнению Совокупность этих программных средств, входит в состав системы программирования: • Текстовый редактор (необходимый для создания и редактирования исходного кода программы на языке программирования); • Компилятор; • Редактор связей; • Отладчик; • Библиотеки функций; • Справочная система. 6.1.1. Классификация языков программирования Многие языки, первоначально разработанные для боль­ших и малых ЭВМ, в дальнейшем были приспособлены к персональным компьюте­рам. Хорошо вписались в ПК не только Паскаль, Бейсик, Си, Лого, но и ЛИСП, ПРОЛОГ - языки искусственного интеллекта. В течение многих лет программное обеспечение строилось на основе операцио­нных и процедурных языков, таких как Фортран, Бейсик, Паскаль, Ада, Си. И сегодня современные версии этих и им подобных языков (Модула, Форт и др.) доминируют при разработке прикладных программных средств. Однако по мере эволюции языков программирования получили широкое распространение и другие, принципиально иные, подходы к созданию программ (рис. 6.1.1). Рис. 6.1.1. Классификация языков программирования Классическое операционное и/или процедурное программирование требует от программиста детального описания того, как решать задачу, т.е. формулировки алгоритма и его специальной записи. При этом ожидаемые свойства результата обычно не указываются. Основные понятия языков этих групп - оператор и данные. При процедурном подходе операторы объединяются в группы - процедуры. Струк­турное программирование в целом не выходит за рамки этого направления, оно лишь дополнительно фиксирует некоторые полезные приемы технологии програм­мирования. Принципиально иное направление в программировании связано с методоло­гиями (иногда говорят «парадигмами») непроцедурного программирования. К ним можно отнести объектно-ориентированное и декларативное программирование. Объектно-ориентированный язык создает окружение в виде множества независимых объектов. Каждый объект ведет себя подобно отдельному компьютеру, их можно использовать для решения задач как «черные ящики», не вникая во внутренние механизмы их функционирования. Из языков объектного про­граммирования, популярных среди профессионалов, следует назвать, прежде всего, Си++, для более широкого круга программистов предпочтительны среды типа Delphi и Visual Basic. При использовании декларативного языка программист указывает исходные ин­формационные структуры, взаимосвязи между ними и то, какими свойствами должен обладать результат. При этом процедуру его получения («алгоритм») программист не строит (по крайней мере, в идеале). В этих языках отсутствует понятие «оператор» («команда»). Декларативные языки можно подразделить на два семейства - логические (типичный представитель - Пролог) и функциональные (Лисп). По всей видимости, непроцедурные языки имеют большое будущее. Все сказанное выше можно отобразить схемой – крупно-структурной классифи­кацией языков программирования. В ней указаны основные методологии программирования; в нижнем ряду - типичные языки соответствующих групп. 6.1.2. Обзор языков программирования высокого уровня Fortran (Фортран ). Первый компилируемый язык, созданный Джимом Бэкусом в 50-е годы. Основным критерием при разработке компиляторов Фортрана является эффективность исполняемого кода. В Фортране впервые был реализован ряд важнейших понятий программирования, но создание программы не очень удобно. Однако для этого языка было создано огромное количество библиотек, поэтому Фортран продолжает активно использоваться во многих организациях. Сейчас ведутся работы над очередным стандартом Фортрана (HPF) для параллельных суперкомпьютеров, со множеством процессоров. Cobol (Кобол). Это компилируемый язык для применения в экономической области и решения бизнес задач, разработанный в начале 60-х годов. Отличается большой «многословностью»- его операторы иногда выглядят как обычные английские фразы. В Коболе были реализованы очень мощные средства работы с большими объемами данных, хранящихся на различных внешних носителях. На этом языке создано очень много приложений, которые активно эксплуатируются и сегодня. Достаточно сказать, что наибольшую зарплату в США получают программисты на Коболе. Algol (Алгол). Компилируемый язык, созданный в 1960 году. Был признан заменить Фортран, но из-за более сложной структуры не получил широкого распространения. В 1968 г. была создана версия Алгол-68, по своим возможностям и сегодня опережающая многие языки программирования, однако из-за отсутствия достаточно эффективных компьютеров для нее не удалось своевременно создать хорошие компиляторы. Pascal (Паскаль). Создан в конце 70-х годов основоположником множества идей современного программирования Никлаусом Виртом. Во многом напоминает Алгол, но в нем ужесточен ряд требований к структуре программы и имеются возможности, позволяющие успешно применять его при создании крупных проектов. Basic (Бейсик). Для этого языка имеются и компиляторы, и интерпретаторы, а по популярности он занимает первое место в мире. Он создан в 60-х годах в качестве учебного языка и очень прост в изучении. С (си). Был создан в лаборатории Bell и первоначально не рассматривался как массовый. Он планировался для замены Ассемблера. Си во многом похож на Паскаль и имеет дополнительные средства для прямой работы с памятью (указатели). На этом языке в 70-х годах написано множество прикладных и системных программ и ряд известных OC (Unix). С++ (Си++). Это объектно-ориентированное расширение языка Си, созданное Бьярном Страуструном в 1980году. Множество новых мощных возможностей, позволивших резко повысить производительность программистов, наложилось на унаследованную от языка Си определенную низкоуровневость. В результате чего создание сложных и надежных программ требует от разработчиков высокого профессионального уровня. Java (Джава, Ява). Этот язык был создан компанией Sun в начале 90-х годов на основе Cu++ путем исключения из него низкоуровневых возможностей, главная особенность этого языка компиляция не в машинный код, а в платформно - независимый байт-код (каждая команда занимает один байт). Этот байт-код может выполняться с помощью интерпретатора виртуальной Java –машины JVM (Java virtual machine), версии которой созданы сегодня для любых платформ. Благодаря наличию множества Java-машин программы на Java можно переносить не только на уровне исходных текстов, но и на уровне двоичного байт-кода, поэтому по популярности язык Ява сегодня занимает второе место в мире после Бейсика. Особое внимание в развитии этого языка уделяется двум направлениям: поддержке всевозможных мобильных устройств и микрокомпьютеров, встраиваемых в бытовую технику (технология Jini) и создание платформно - независимых программных модулей, способных работать на серверах в глобальных и локальных сетях с различными ОС (технология Java Bens). Пока основной недостаток этого языка – невысокое быстродействие, т.к. язык Ява интерпретируемый. 6.1.3. Языки программирования БД Эта группа отличается от алгоритмических языков, прежде всего решаемыми задачами. Первые БД появились очень рано, как только появилась потребность в обработке больших массивов информации и выборке групп записей по определенным признакам. Для этого был создан структурированный язык запросов SQL. Он основан на могучей математической теории и позволяет выполнять эффективную обработку БД, манипулируя не отдельными записями, а группами записей. 6.1.4. Языки программирования для Интернета HTML. Язык для оформления документов. Очень прост и содержит элементарные команды форматирования текста, добавления рисунков, задания шрифтов и цветов, организации ссылок и таблиц. Все Web – страницы написаны на языке HTML или используют его расширения. Вопросы для самоконтроля 1. Какие языки программирования высокого уровня вы знаете? 2. Какие языки программирования активно используются и сегодня? Лекция 6.2. Стратегии решения задач 6.2.1. Этапы подготовки и решения задач на компьютере Компьютер предназначен для решения разнообразных задач: научно-технических, инженерных, разработки системного программного обеспечения, обучения, управления производственными процессами и т.д. В процессе подготовки и решения на компьютере научно-технических задач можно выделить следующие этапы: 1. Постановка задачи – формулируется цель решения задачи, подробно описывается ее содержание; проводится анализ условий, при которых решается поставленная задача, выявляется область определения входных параметров задачи. 2. Формальное построение модели задачи – предполагает построение модели с характеристиками, адекватными оригиналу, на основе какого-либо его физического или информационного принципа; анализируется характер и сущность величин, используемых в задаче; 3. Построение математической модели задачи – характеризуется математической формализацией задачи, при которой существующие взаимосвязи между величинами выражаются с помощью математических соотношений. Как правило, математическая модель строится с определенной точностью, допущениями и ограничениями; 4. Выбор и обоснование метода решения – модель решения задачи реализуется на основе конкретных приемов и методов решения. В большинстве случаев математическое описание задачи трудно перевести на машинный язык. Выбор и использование метода решения позволяет свести решение задачи к конкретному набору машинных команд. При обосновании метода решения рассматриваются вопросы влияния различных факторов и условий на конечный результат, в том числе на точность вычислений, время решения задачи на компьютере, требуемый объем памяти и др.; 5. Построение алгоритма – на данном этапе составляется алгоритм решения задачи, в соответствии с выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, определяется последовательность выполнения этих блоков; 6. Составление программы – алгоритм решения переводится на конкретный язык программирования; 7. Отладка программы – процесс устранения синтаксических и логических ошибок в программе. В процессе трансляции программы с помощью синтаксического и семантического контроля выявляются недопустимые конструкции и символы для данного языка программирования. Затем проверяется логика работы программы в процессе ее выполнения с конкретными исходными данными. Для этого используются специальные методы и отладчики, выполняющие специальные действия на этапе отладки, такие как удаление, замена или вставка отдельных операторов или целых фрагментов программы, вывод промежуточных результатов, изменение значений заданных переменных и др. 8. Решение задачи на компьютере и анализ результатов. Первоначально выполняется многократное решение задачи на компьютере для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты анализируются специалистом, поставившим задачу. Разработанная программа поставляется заказчику в виде готовой к исполнению машинной программы. К ней прилагается документация, включающая инструкцию по эксплуатации. В задачах другого типа некоторые этапы могут отсутствовать. Например, проектирование программного обеспечения не требует построения математической модели. Все этапы тесно связаны между собой. Например, анализ результатов может привести к необходимости внесения изменений в программу, алгоритм, метод решения или даже в постановку задачи. Вопросы для самоконтроля 3. Что называют системой программирования? 4. Что нужно для создания программы? 5. Перечислите этапы подготовки и решения задач на компьютере. ЛЕКЦИЯ 6.3 ПРИБЛИЖЕННОЕ РЕШЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ И ТРАНСЦЕНДЕНТНЫХ УРАВНЕНИЙ 6.3.1. Постановка задачи Пусть дано уравнение f(x) = 0, (6.3.1) где функция f(x) определена и непрерывна в конечном или бесконечном интервале a < x < b. Всякое значение ξ, обращающее функцию f(x) в нуль, то есть такое, что f(ξ) = 0, называется корнем уравнения (4.1) или нулем функции f(x). Предположим, что уравнение (6.3.1) имеет лишь изолированные корни, то есть для каждого корня существует окрестность, не содержащая других корней этого уравнения. Приближенное нахождение изолированных действительных корней уравнения (4.1) складывается обычно из двух этапов: 1. Отделение корней, то есть установление возможно тесных промежутков [α, β], в которых содержится один и только один корень исходного уравнения (4.1). 2. Уточнение приближенных корней, то есть доведение их до заданной степени точности. 6.3.2. Графическое решение уравнений Действительные корни уравнения f(x) = 0 приближенно можно определить как абсциссы точек пересечения графика функции y = f(x) с осью ОХ (см. рис. 6.3.1, а). На практике часто бывает удобнее уравнение (4.1) заменить равносильным ему уравнением , (6.3.2) где функции φ(x) и ψ(x) более простые, чем функция f(x). Тогда, построив графики этих функций, искомые корни получим как абсциссы точек пересечения этих графиков (смотри рис. 6.3.1, б). а) б) Рис. 6.3.1. Графический метод нахождения корней уравнения. 6.3.3. Метод половинного деления (дихотомии) Сформулируем без доказательства очень важную для рассмотрения дальнейших вопросов теорему. Теорема: Если непрерывная функция f(x) принимает значения разных знаков на концах отрезка [α, β], то есть f(α)·f(β) < 0, то внутри этого отрезка содержится по меньшей мере один корень уравнения f(x) = 0, а именно: найдётся хотя бы одно число такое, что f(ξ) = 0. Пусть дано уравнение f(x) = 0, (6.3.3) где функция f(x) определена и непрерывна на интервале [a, b] и f(a)·f(b) < 0. Для нахождения корня уравнения делим отрезок [a, b] пополам: • если f((a + b)/2) = 0, то ξ = (a + b)/2 является корнем уравнения (6.3.3); • если , то выбираем ту половину отрезка [a, (a + b)/2] или [(a + b)/2, b], на концах которого функция f(x) имеет противоположные знаки. Новый суженный отрезок [a1, b1] снова делим пополам и проводим тот же анализ и т.д. Очевидно, что закончить уточнение значения корня можно при достижении условия |аj – bj| < ε , где ε > 0 - сколь угодно малое число. Второй способ закончить вычисления - задать максимальное значение невязки: f((aj + bj)/2) < ε. Замечания • Метод половинного деления очень прост, здесь нет вычислительной формулы и можно обеспечить практически любую точность. • Как недостаток метода можно отметить его медленную сходимость (за один шаг интервал, где находится корень, сужается всего в два раза). 6.3.4. Метод хорд Пусть дано уравнение f(x) = 0, (6.3.4) где функция f(x) определена и непрерывна на интервале [a, b] и выполняется соотношение f(a)·f(b) < 0. Пусть для определенности f(a) < 0, f(b) > 0. Тогда вместо того, чтобы делить отрезок [a, b] пополам, более естественно разделить его в отношении - f(a):f(b). При этом новое значение корня определяется из соотношения x1 = a + h1, (6.3.5) где . (6.3.6) Далее этот прием применяем к одному из отрезков [a, x1] или [x1, b], на концах которого функция f(x) имеет противоположные знаки. Аналогично находим второе приближение x2 и т.д. (см. рис. 4.2.). Геометрически этот способ эквивалентен замене кривой y = f(x) хордой, проходящей через точки А(a, f(a)) и B(b, f(b)). Рис. 6.4.2. Уточнение корня уравнения методом хорд Действительно, уравнение хорды АВ имеет вид (6.3.7) Учитывая, что при х = х1 => y = 0, получим (6.3.8) Полагая, что на отрезке [a, b] вторая производная f''(x) сохраняет постоянный знак, метод хорд сводится к двум различным вариантам: 1. Из рис. 4.2,a видно, что неподвижна точка а, а точка b приближается к ξ, то есть (6.3.9) Преобразовав выражение (4.9), окончательно получим (6.3.10) 2. Из рис. 4.2,b видно, что точка b остается неподвижной, а точка а приближается к ξ, тогда вычислительная формула примет вид (6.3.11) Таким образом, для вычисления корня уравнения имеем две различные вычислительные формулы (6.3.10) и (6.3.11). Какую точку брать за неподвижную? Рекомендуется в качестве неподвижной выбирать ту точку, в которой выполняется соотношение f(x)·f”(x) > 0. (6.3.12) 6.3.5. Метод Ньютона (метод касательных) Пусть корень ξ уравнения f(x) = 0, (6.3.13) отделен на отрезке [a, b], причем первая и вторая производные f(x) и f(x) непрерывны и сохраняют определенные знаки при . Найдя какое-нибудь n-ое приближение корня , мы можем уточнить его по методу Ньютона следующим образом. Пусть ξ = xn + hn, (6.3.14) где hn - величина малая. Отсюда по формуле Тейлора получим (ограничиваясь первым порядком малости относительно hn) f(xn + hn) = f(xn) + hn f(xn) = 0. (6.3.15) Следовательно, hn = - f(xn) / f (xn). (6.3.16) Подставив полученное выражение в формулу (6.3.14), найдем следующее (по порядку) значение корня: (6.3.17) Проиллюстрируем графически нахождение корня методом Ньютона (рис. 6.3.3.). Рис. 6.3.3. Уточнение корня методом касательных Если в качестве начального приближения выбрать точку х0 = В0 , то процесс быстро сходится. Если же выбрать точку х0 = А0, то х1 [a, b], и процесс нахождения корня расходится. Рекомендуется: в качестве х0 выбрать точку, где f(x)·f(x) > 0. 6.3.6. Комбинированный метод Пусть f(a)·f(b) < 0, а f(x) и f(x) сохраняют постоянные знаки на отрезке [a¸ b]. Соединяя метод хорд и метод касательных, получаем метод, на каждом шаге которого находим значения по недостатку и значения по избытку точного корня ξ уравнения f(x) = 0. Теоретически здесь возможны четыре случая: • f(x) > 0; f(x) > 0; • f(x) > 0; f(x) < 0; • f(x) < 0; f(x) > 0; • f(x) < 0; f(x) < 0. Рассмотрим только первый случай, так как остальные три ведут себя аналогично и могут быть сведены к первому. Итак, пусть f(x) > 0 и f(x) > 0 при . Полагаем, что (для метода хорд), (для метода касательных). Тогда новые значения корня вычисляем по формулам (6.3.18) Рис. 6.3.4 наглядно иллюстрирует суть комбинированного метода. Рис. 6.3.4. Уточнение корня комбинированным методом Доказано, что . Следует обратить внимание на то, что на каждом шаге метод хорд применяется к новому отрезку . Если задать максимальное значение погрешности ε > 0, процесс уточнения значения корня продолжаем до тех пор, пока не выполнится условие . (6.3.19) Пример 6.3.1. Вычислить с точностью до 0.0005 положительный корень уравнения f(x) = x5 – x – 0.2 = 0. На первом этапе отделения корней выбрали интервал [1.0, 1.1], на концах которого функция имеет противоположные знаки. Действительно, f(1) = – 0.2 < 0, f(1.1) = 0.31051 > 0. В выбранном нами интервале f(x) > 0, f(x) > 0, то есть знаки производных сохраняются. Применим комбинированный метод, приняв . По формулам (4.18) вычислим . Так как точность недостаточная (погрешность велика), вычислим следующие значения: Таким образом, за два шага мы обеспечили требуемую точность. Замечания • Комбинированный метод наиболее трудоемок. • Метод, как и метод Ньютона не всегда сходится (почему?). • Комбинированный метод сходится быстрее всех ранее рассмотренных, (если он сходится). Вопросы для самопроверки • Какие точные методы решения нелинейных уравнений вы знаете? • Для чего нужен первый этап - отделение корней? • Сформулируйте условия существования решения уравнения. Являются ли эти требования необходимыми и достаточными? • Что можно сказать о точности методов половинного деления, хорд, касательных и комбинированного? По каким параметрам их еще можно сравнить? • В соответствии с известной теоремой на отрезке [a, b] существует решение. Всегда ли его можно найти методом половинного деления, методом хорд, и т.п.? 6.4 ЧИСЛЕННОЕ РЕШЕНИЕ СИСТЕМ ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ (СЛАУ) 6.4.1. Решение задач линейной алгебры Линейные системы имеют в вычислениях очень большое значение, так как к ним может быть приведено приближенное решение широкого круга задач. Так, основными источниками возникновения СЛАУ являются теория электрических цепей, уравнения балансов и сохранения в механике, гидравлике и т.п. Пусть дана система n линейных алгебраических уравнений с n неизвестными: (6.4.1) Или в матричной форме: ; (6.4.2) где (6.4.3) - матрица коэффициентов системы (6.4.1); - вектор неизвестных; - вектор свободных членов. Если матрица A неособенная, т.е. (6.4.4) то система (6.4.1) или эквивалентное ей матричное уравнение (6.4.2) имеют единственное решение. Действительно, при условии, что detA  0, существует обратная матрица A-1. Умножая обе части уравнения (6.4.2) слева на A-1, получим: (6.4.5) Формула (6.4.5) даёт решение уравнения (6.4.2), причём единственное. Пример 6.4.1. Для матрицы A порядка n > 4 непосредственное нахождение обратной матрицы A-1 требует много времени (операций). Поэтому формула (6.4.5) на практике употребляется достаточно редко. Обычно значения неизвестных xi (i = 1,2, ... n) могут быть получены по известным формулам Крамера: (6.4.6) Здесь матрица Ai получается из матрицы A заменой её i-го столбца столбцом свободных членов. Пример 6.4.2. Решим вышеприведенную систему по формулам Крамера: Применяемые в настоящее время методы решения СЛАУ можно разбить на две группы: точные и приближённые. Точными методами называются такие методы, которые в предположении, что вычисления ведутся точно (без округлений), за конечное число действий позволяют получить точные значения неизвестных xi. Приближенными методами называются такие методы, которые даже в предположении, что вычисления ведутся без округлений, позволяют получить решение системы (x1, x2, ..., xn) лишь с заданной точностью. Точное решение СЛАУ в этих случаях может быть получено теоретически как результат бесконечного процесса. К приближенным методам относятся метод простой итерации, метод Зейделя и т.п. 6.4.2. Метод Гаусса Наиболее распространенным методом решения СЛАУ является метод Гаусса, в основе которого лежит идея последовательного исключения неизвестных. Существуют различные схемы, реализующие данный метод. Рассмотрим одну из них – схему единственного деления. Для простоты ограничимся рассмотрением СЛАУ с четырьмя неизвестными: (6.4.7) Пусть a11  0 (ведущий элемент). Разделив первое уравнение на a11, получим первую главную строку: (6.4.8) где (j = 2,3,4,5). Используя уравнение (6.4.8), можно исключить неизвестные x1 из 2-го, 3-го и 4-го уравнений системы (6.4.7). Для этого последовательно умножаем уравнение (6.4.8) на a21; a31; a41 и вычитаем результат из 2-го, 3-го и 4-го уравнений системы (6.4.7) соответственно. В результате получим систему из трех уравнений: (6.4.9) где коэффициенты вычисляются по формуле (i = 2, 3, 4; j = 2, 3, 4, 5). (6.4.10) Далее первое уравнение системы (6.4.9) делим на ведущий элемент и получаем (6.4.11) где , (j = 3, 4, 5). Аналогично предыдущему шагу, исключая x2, как и x1, получим систему (6.4.12) Здесь (i = 3, 4; j = 3, 4, 5). Разделив первое уравнение системы (6.4.12) на , получим: (6.4.13) где (j = 4, 5). Теперь с помощью уравнения (6.4.13) исключим x3 из второго уравнения системы (6.4.12), окончательно получим: , (6.4.14) где (j=4, 5). Таким образом, исходную систему (6.4.7) привели к составленной из главных строк (6.4.8), (6.4.11), (6.4.13) и (6.4.14) эквивалентной системе с треугольной матрицей(6.4.15): (6.4.15) Из (6.4.15) последовательно находим (6.4.16) Итак, решение СЛАУ (6.4.7) распадается на два этапа: • прямой ход (приведение системы (6.4.7) к треугольному виду (6.4.15)); • обратный ход (определение неизвестных по формуле (6.4.16)). Пример 6.4.3 Прямой ход: Из выражений (6.4.10) вычислим коэффициенты : Аналогично вычислим коэффициенты при (i = 3, 4) и составим систему Разделив первое уравнение системы на , получим Значит, Из (6.4.12) вычислим для i = 3 и j = 3, 4, 5: Аналогично, вычислив коэффициенты для i = 4, получим: Разделив первое уравнение на a(2)33 = 16.425, получим: где По формуле (6.4.14) находим коэффициенты : и записываем одно уравнение с одним неизвестным: 1.1199786x4 = -1.1199768. x1 + 0.5x2 - 0.05x3 + 0.5x4 = 1.35; x2 + 16.4.4x3 - 29x4 = 71.2; x3 - 1.72298x4 = 4.72298; 1.11998x4 = -1.11998. На этом закончен прямой ход. Обратный ход: x4 = -1.000; x3 = 4.72298 - 1.72298 = 3; x2 = 71.2 - 16.4.4 * 3-29 = 2; x1 = 1.35 - 0.5 * 2 + 0.05 * 3 + 0.5 = 1. 6.4.3. Схема Гаусса с выбором главного элемента Рассмотрим СЛАУ (6.4.17) Запишем расширенную прямоугольную матрицу коэффициентов системы (6.4.17): . (6.4.18) Среди элементов матрицы aij (i,j = 1, ...n) выберем наибольший по модулю, называемый главным элементом. Пусть им будет, например, элемент apq. Строка, содержащая главный элемент, называется главной строкой. Далее вычисляем множители mi = aiq / apq для всех i  p.Затем преобразуем матрицу (6.4.18) следующим образом: из каждой i-ой неглавной строки вычитаем почленно главную строку, умноженную на mi. В результате получим матрицу, у которой все элементы q-го столбца за исключением apq, равны 0. Отбрасывая этот столбец и главную строку, получим новую матрицу M1 с числом строк и столбцов на 1 меньше. Над матрицей М1 повторяем те же операции, после чего получим матрицу M2 и т.д. Таким образом продолжаем до тех пор, пока не получим матрицу, содержащую одну строку из двух элементов, которую тоже считаем главной. Затем объединим все главные строки, начиная с последней. После некоторой перестановки они образуют треугольную матрицу, эквивалентную исходной. На этом заканчивается этап вычислений, называемый прямым ходом. Решив систему с полученной треугольной матрицей коэффициентов, найдём последовательно значения неизвестных xi (i = 1, 2, ..., n). На этом заканчивается обратный ход. Смысл выбора главного элемента состоит в том, чтобы сделать возможно меньшими числа mi и тем самым уменьшить погрешность вычислений. Пример 6.4.4. Рассмотрим СЛАУ, состоящую из трех уравнений. Запишем расширенную матрицу m2 = -1/6; m3 = -2/6.4. m2 = -5/16. M2 = [ 87/96 174/32]. x3 = 6; x1 = 3; x2 = -2. 6.4.4. Вычисление обратной матрицы методом Гаусса Пусть дана неособенная матрица A = [aij] (i,j = 1,2, ..., n). (6.4.19) Необходимо найти её обратную матрицу A-1 = [xij] (i,j = 1,2, ..., n). (6.4.20) Вспомним основное соотношение линейной алгебры: A·A-1 = E, (6.4.21) где Е – единичная матрица. Перемножая матрицы A и A-1, получаем n2 уравнений относительно n2 неизвестных xij: (i,j = 1, 2, ..., n), (6.4.22) где Таким образом, получим n систем линейных уравнений для j = 1, 2, ..., n, имеющих одну и ту же матрицу коэффициентов A и различные столбцы - свободные члены, которые можно одновременно решить методом Гаусса. Рассмотрим это подробнее, вычислив матрицу, обратную : Разделив все коэффициенты первой строки на a11 = 2, получим первую главную строку (обратите внимание, что с n столбцами свободных членов проводятся те же действия, что и с одним): 1.0 0.5 -0.05 0.5 0.5 0 0 0 1.0 16.4.4 -29 -0.6667 6.4.333 0 0 . Для проверки перемножим полученную обратную матрицу и исходную (должны получить единичную): . Благодаря округлению, убеждаемся, что обратная матрица вычислена неточно. В дальнейшем можно показать, как методом простой итерации можно уточнить A-1. Лекция 8.1. Программные и аппаратные компоненты компьютерных сетей 8.1.1. Определение и назначение Компьютерной сетью называется объединение нескольких ЭВМ для совместного решения информационных, вычислительных, учебных и др. задач. Простейшим видом сети является одно - ранговая сеть, обеспечивающая связь ПК конечных пользователей и позволяющая совместно использовать дисководы, принтеры, файлы. Более развитые сети включают специальные выделенные компьютеры-серверы. Сервер – ЭВМ, выполняющая в сети особые функции обслуживания остальных компьютеров, которые называются рабочими станциями. Есть серверы файловые, коммуникационные, серверы для проведения математических расчетов, серверы баз данных. 8.1.2 Классификация сетей Компьютерные сети можно классифицировать по ряду признаков, в том числе по степени территориальной распределенности. При этом различают: глобальные, региональные и локальные сети. Глобальные сети объединяют пользователей по всему миру и часто используют спутниковые каналы связи. В этих сетях осуществляется формирование единого научного, экономического, социального и культурно информационного пространства. При этом соединяются узлы связи и ЭВМ, находящиеся на расстоянии10-15 тыс. км друг от друга. Региональные сети объединяют пользователей города, области и маленькой страны. Расстояние между узлами сети составляют 10-1000км. Локальные сети ЭВМ связывают абонентов одного или близлежащих зданий одного предприятия, учреждения (обычно 10-100 компьютеров). Особенностью ЛВС является наличие одного высокоскоростного канала связи для передачи информации в цифровом виде. На больших расстояниях такой тип передачи неприемлем из-за неизбежного затухания высокочастотного сигнала. Существуют проводные и беспроводные (радио) каналы. Расстояния в ЛВС между ЭВМ небольшие – до 10км, а в радио канале – до 20км. Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями: • обеспечение совместного использования аппаратных и программных ресурсов сети; • обеспечение совместного доступа к ресурсам данных. Так, например, все участники локальной сети могут совместно использовать одно общее устройство печати (сетевой принтер) или, например, ресурсы жестких дис­ков одного выделенного компьютера (файлового сервера). Это же относится и к программному, и к информационному обеспечению. Если в сети имеется специ­альный компьютер, выделенный для совместного использования участниками сети, он называется файловым сервером. Компьютерные сети, в которых нет выделенного сервера, а все локальные компьютеры могут общаться друг с другом на «равных правах» (обычно это небольшие сети), называются одноранговыми. 8.1.6.4. Сетевое программное обеспечение Для реализации услуг в сети и доступа пользователей к услугам разрабатываются программное обеспечение. В настоящее время получили распространение 2 основные концепции такого программного обеспечения. В первой концепции сетевое программное обеспечение ориентированно на предоставление пользователям некоторого общедоступного главного компьютера сети, называемого файловым сервером. Основным ресурсом такого сервера являются файлы. Это могут быть файлы, содержащие программные модули или данные. Сетевые программные средства, управляющие ресурсами файлового сервера и предоставляющие к ним доступ пользователям сети, называются сетевой операционной системой. Ее основная часть размещается на файловом сервере, на рабочих страницах устанавливается только небольшая оболочка, выполняющая функции интерфейса между программами, обращающимися за ресурсами, и файловым сервером. Во второй концепции - популярной и чрезвычайно перспективной, называемой архитектурой «клиент-сервер», программное обеспечение ориентированно не только на коллективное использование ресурсов, но и на их обработку в месте размещения ресурсов по запросам пользователя. Программные системы архитектуры «клиент-сервер» состоят из 2 частей: программное обеспечение сервера и программное обеспечение пользователя-клиента. При этом в функции клиента входит: • Предоставление пользовательского интерфейса, ориентированного на определенные производственные обязанности и полномочия пользователя; • Формирование запросов к серверу; • Анализ ответов сервера на запросы и предъявление их пользователю. Основная функция сервера – выполнение специальных действий по запросам клиента, например, решение сложной математической задачи, соединение клиента с другим клиентом и т.д. Если сервер не в состоянии решить задачу из-за нехватки ресурсов, он в идеале сам находит более мощный сервер и передает ему задачу, становясь, в свою очередь клиентом, но, не информируя об этом, без особой нужды, начального клиента. Клиентом может быть весьма мощный компьютер, который в силу своих возможностей решает задачу самостоятельно. 8.1.4. Сетевая операционная система NET Ware В любой физической конфигурации поддержка доступа от одного компьютера к другому, наличие и отсутствие выделенного компьютера, выполняется программой – сетевой ОС. Сетевая ОС является надстройкой по отношению к ОС отдельных компьютеров. Для современных высокоразвитых ОС ПК вполне характерно наличие сетевых возможностей ( например, OS\2, Windows 95-2000 - XP, Windows NT, UNIX). Для обеспечения функционирования ЛС, использующей файловый сервер, в настоящее время разработан целый ряд сетевых ОС. Одной из них является NET Ware фирмы Novel. Диски F..Z сетевой принтер Моноканальная шина Windous 95 OS/2 UNIX Терминатор С: D: Е: С: D: Е: С: D: Е: Рис. 8.1. Локальная сеть ПК Novel Net Ware с моноканальной структурой. ФС – файловый сервер с сетевой платой Ethernet и ядром Net Ware; РС – рабочая станция с сетевой платой Ethernet и с оболочкой Net Ware. С: D: E: – локальные диски. Основные функции сетевой ОС, реализуемые Net Ware: 1. Разделение дисков файлового сервера, обеспечивающее надежное хранение и доступ к файлам; 2. Управление коммуникацией при различных топологиях подсетей и коммуникационных протоколах. Так, рабочие станции UNIX, как правило, используют протокол TCP/IP, а ПК сети Net Ware – IPX/SPX, и сетевая ОС обеспечивает поддержку этих протоколов. 3. Обеспечение работы на сервере программ, расширяющих и дополняющих функции самой сетевой ОС. Эти программы называются загружаемыми модулями Net Ware (N2H, Net Ware, loadable Modules). 8.1.5. Структура сетевой ОС Net Ware Сетевая ОС Net Ware координирует функционирование Р.С. и регулирует процесс совместного использования сетевых ресурсов. Эти средства обеспечивают защиту и их целостность, контролируя право доступа к ним. Novel Net Were, как и другие операционные системы, ориентирована на работу с различными сетевыми платами. Возможных видов плат очень много. Поддерживаются многие платы Ethernet, Token – Ring, ARCnet. Схема размещения и взаимодействия компонентов программного обеспечения сетевой ОС Net Ware Novel представлена на рис. 8.2. Net Ware 386 является сетевой ОС с централизованным управлением, т.е. в сети один или несколько компьютеров должны быть выделены в качестве файл-сервера. На файловых серверах работает ОС Net Ware. На Р.С. (число которых может достигать нескольких сотен) должна быть загружена, т.н. клиентская часть Net Ware – специальная компонента системы (оболочка Net Ware ). Оболочка Net Ware состоит из модулей VLH.COM, LSL.COM и IPXODL.COM. При запросе некоторой сетевой услуги VLH.COM передает запрос другим модулям, которые отправляют его через драйвер сетевой карты на файловый сервер. Файловый сервер Рабочая станция Канал связи Рис. 8.2. Схема размещения и взаимодействия компонентов программного обеспечения сетевой ОС Net Ware Novel 8.1.6. Утилиты Net Ware Утилиты разделяются на диалоговые и утилиты командной строки. Имеются варианты диалоговой утилиты выполняющейся под DOS и Windows. Развитый интерфейс DOS – утилит представляет собой выбор из меню. Графический интерфейс Windows – утилит существенно упрощает и ускоряет работу пользователя в сети. Утилиты командной строки позволяют задавать все параметры непосредственно при запуске утилиты в командной строке. Все утилиты обычно располагаются в сетевом каталоге SYSPUBLIC на винчестере файл-сервера. Лекция 8.2. Конфигурация (архитектура, топология) ЛВС ЛВС в зависимости от назначения и технических решений могут иметь различные конфигурации (топологии), представленные на рис. 8.2.1-8.2.3 : 8.2.1. Кольцевая топология ЛВС Рис. 8.2.1. Кольцевая топология Кольцевая ЛС – информация передается по замкнутому кольцу. Каждый компьютер непосредственно связан с двумя соседними, хотя в принципе может связываться с любым абонентом сети. Каждый компьютер выступает в роли репитера (повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к падению сети. Способ передачи данных по кольцу называется передачей маркера. Маркер (token) – это специальная последовательность бит, передающаяся по сети. В каждой сети существует только один маркер. Маркер передает по кольцу последовательно от одного компьютера к другому до тех пор, пока его не захватит тот компьютер, который хочет передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя, и отправляет его дальше по кольцу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Затем принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема. Получив подтверждение, передающий компьютер восстанавливает маркер и возвращает его в сеть. Скорость движения маркера сопоставима со скоростью света. Так, в кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 477 376 об/с. 8.2.2. Радиальная топология ЛВС Рис. 8.2.2. Радиальная (звездообразная) топология При топологии звезда (рис. 8.2.2) все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству, называемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. В сетях с топологией звезда, концентратор служит центральным узлом. Концентраторы делятся на активные (многопортовые повторители) и пассивные. Активные регенерируют и передают сигналы так же, как репитеры. Обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Активные концентраторы следует подключать к электрической сети. К пассивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие панели. Они просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Их не надо подключать к электрической сети. Недостатки этой топологии: дополнительный расход кабеля, установка концентратора. Главное преимущество перед шинной топологией – более высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров на работу сети не влияет. Только неисправность концентратора приводит к падению сети. 8.2.6.4. Шинная топология Компьютеры подключены к общему каналу (шине), через который могут обмениваться сообщениями (рис. 8.2.2). Шина Рис. 8.2.6.4. Топология шина: С – сервер; К – компьютер; Т – терминатор. Производительность такой сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. На быстродействие также влияют: • тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров; • частота, с которой компьютеры передают данные; • тип работающих сетевых приложений; • тип сетевого кабеля; • расстояние между компьютерами в сети. Выход одного или нескольких компьютеров из строя никак не сказывается на работе сети. Электрические сигналы распространяются по всему кабелю – от одного конца к другому. Сигналы, достигшие концов кабеля, отражаются от них. Возникает наложение сигналов, находящихся в разных фазах, и, как следствие, их искажение и ослабление. Поэтому, для гашения сигналов на концах кабеля устанавливают терминаторы. При разрыве кабеля или отсутствии терминаторов функционирование сети прекращаются. Сеть падает. 8.2.4. Ячеистая топология Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер в такой сети соединен с каждым другим отдельным кабелем (рис. 8.2.4). Сигнал от компьютера-отправителя до компьютера-получателя может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не сказывается на работоспособности сети. Основной недостаток – большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется высокой надежностью и простотой обслуживания. Ячеистая топология применяется в комбинации с другими топологиями при построении больших сетей. Рис. 8.2.4. Ячеистая топология. Существуют комбинированные топологии. Чаще всего используются две комбинированные топологии: звезда-шина и звезда-кольцо. Звезда-шина – несколько сетей с топологией звезда объединяются при помощи магистральной линейной шины (к концентратору подключены компьютеры, а сами концентраторы соединены шиной). Выход из строя одного компьютера не сказывается на работе всей сети, а сбой в работе концентратора влечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов. Звезда-кольцо – отличие состоит только в том, что концентраторы в звезде-кольце подсоединены к главному концентратору, внутри которого физически реализовано кольцо. 8.2.5. Сетевые кабели НА сегодня подавляющая часть компьютерных сетей использует для соединения кабели. Это среда передачи сигналов между компьютерами. В большинстве сетей применяются три основные группы кабелей. Коаксиальный кабель – до недавнего времени был самым распространенным. Недорогой, легкий, гибкий, удобный, безопасный и простой в установке. Существует два типа коаксиальных кабелей: тонкий и толстый. Тонкий – гибкий, диаметр 0,64 см (0,25”). Прост в применении и подходит практически для любого типа сети. Подключается непосредственно к плате сетевого адаптера. Переедает сигнал на 185 м практически без затухания. Толстый – жесткий, диаметр 1,27 см (0,5”).Его иногда называют стандартный Ethernet. Жила толще, затухание меньше. Передает сигнал без затухания на 500 м. Используют в качестве магистрали, соединяющей несколько небольших сетей. Витая пара - это два перевитых изолированных медных провода. Несколько витых пар проводов часто помещают в одну защитную оболочку. Переплетение проводов позволяет избавляться от электрических помех, наводимых соседними проводами и другими внешними источниками. Неэкранированная витая пара (UTP) широко используется ЛВС, максимальная длина 100 м. UTP определена особым стандартом, в котором указаны нормативные характеристики кабелей для различных применений, что гарантирует единообразие продукции. Экранированная витая пара (STP) помещена в медную оплетку. Кроме того, пары проводов обмотаны фольгой. Поэтому STP меньше подвержены влиянию электрических помех и может передавать сигналы с более высокой скоростью и на большие расстояния. Преимущества – дешевизна, простата при подключении. Недостатки – нельзя использовать при передаче данных на большие расстояния с высокой скоростью. Оптоволоконным кабель. В оптоволоконном кабеле цифровые данные распространяются по оптическим волокнам в виде модулированных световых импульсов. Это надежный способ передачи, так как электрические сигналы при этом не передаются. Следовательно, оптоволоконный кабель нельзя вскрыть и перехватить данные. Оптоволоконные линии предназначены для перемещения больших объемов данных на очень высоких скоростях, так как сигнал в них практически не затухает и не искажается. Оптоволокно передает сигналы только в одном направлении, поэтому кабель состоит из двух волокон с отдельными коннекторами: одно – для передачи, другое – для приема. Скорость передачи данных от 100 Мбит/с, теоретически – до 200 Гбит/с. Расстояние – многие километры. Существенным недостатком этой технологии является дороговизна и сложность в установке и подключении. Типичная оптическая сеть состоит из лазерного передатчика света, мультиплексера/ демультиплексера для объединения оптических сигналов с разными длинами волн, усилителей оптических сигналов, демульплексеров и приемников, преобразующих оптический сигнал обратно в электрический. Для передачи по кабелю кодированных сигналов использую две технологии - немодулированную и модулированную передачу. Немодулиронные системы передают данные в виде цифровых сигналов, которые представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. Модулированные системы передают данные в виде аналогового сигнала (электрического или светового). 8.2.6. Беспроводная среда Беспроводная среда не означает полное отсутствие проводов в сети. Обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой в качестве среды передачи используется кабель. Такие сети называются гибридными. Существуют следующие типы беспроводных сетей: ЛВС, расширенные ЛВС и мобильные сети (переносные компьютеры). Основные различия между ними – параметры передачи. ЛВС и расширенные ЛВС используют передатчики и приемники той организации, в которой функционирует сеть. Для переносных компьютеров средой передачи служат общедоступные сети (например, телефонная или Internet). Вопросы для самоконтроля 1. Что такое компьютерная сеть? 2. Для чего создаются локальные сети ЭВМ? 3. Что такое сервер? Рабочая станция? 4. Какие сетевые технологии называются клиент - серверными? 5. Какие виды линий (накалов) используются для связи компьютеров в ЛВС? 6. Какие бывают конфигурации (топологии) ЛВС? 7. Какая сетевая ОС используется в ЛВС? Лекция 8.6.4. Глобальная сеть Интернет 8.6.4.1. Принципы построения сети Интернет Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является обес­печение совместимости оборудования по электрическим и механическим характе­ристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи отно­сится к области стандартизации и основано на так называемой модели ОSI (модель взаимодействия открытых систем — Моdеl оf Ореn Sistem Interconnections). Она создана на основе технических предложений Международного института стандар­тов ISO (International Standards Organization). Согласно модели ISO/OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на разных уровнях (общее число уровней — до семи). Самый верхний уровень — приклад­ной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой. Самый нижний уровень — физический. Он обеспечивает обмен сигналами между устройства­ми. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на верхний. Простейшая модель обмена данными в компьютерной сети показана на рис. 8.6.4.1. Рис. 8.6.4.1. Простейшая модель обмена данными в компьютерной сети Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и данных (про­граммные протоколы). Физически функции поддержки протоколов исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы под­держки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также называют протоколами. Так, например, если два компьютера соединены между собой прямым соединением, то на низшем (физическом) уровне протокол их взаимодействия определяют кон­кретные устройства физического порта (параллельного или последовательного) и механические компоненты (разъемы, кабель и т. п.). На более высоком уровне вза­имодействие между компьютерами определяют программные средства, управля­ющие передачей данных через порты. Для стандартных портов они находятся в базовой системе ввода/вывода (BIOS). На самом высоком уровне протокол взаи­модействия обеспечивают приложения операционной системы. Например, для Windows 98 это стандартная программа Прямое кабельное соединение. Отдельные локальные сети могут объединяться в глобальные сети. В этом случае локальные сети связывают между собой с помощью любых тради­ционных каналов связи (кабельных, спутниковых, радиорелейных и т. п.). При соблюдении специальных условий для этой цели могут быть использованы даже телефонные каналы, хотя они в наименьшей степени удовлетво­ряют требованиям цифровой связи. Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным про­токолам, служат специальные средства, называемые шлюзами. Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовый сервер), а может быть и компьютерная программа. В послед­нем случае компьютер может выполнять не только функцию шлюза, но и какие-то иные функции, типичные для рабочих станций. При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети важную роль играет понятие сетевой безопасности. В частности, должен быть ограничен доступ в локальную сеть для посторонних лиц извне, а также ограничен выход за пределы локальной сети для сотрудников предприятия, не имеющих соответствующих прав. Для обеспечения сетевой безопасности между локальной и глобальной сетью уста­навливают так называемые брандмауэры. Брандмауэром может быть специальный компьютер или компьютерная программа, препятствующая несанкционированному перемещению данных между сетями. 8.6.4.2. Сетевые службы Модель взаимодействия открытых систем. Выше мы упомянули о том, что соглас­но рекомендациям Международного института стандартизации ISO системы компью­терной связи рекомендуется рассматривать на семи разных уровнях (таблица 1). Таблица 8. 1 . Уровни модели связи Уровень Аналогия Прикладной уровень Письмо написано на бумаге. Определено его содержание Уровень представления Письмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена марка, Клиентом соблюдены необходимые требования протокола доставки Сеансовый уровень Письмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки (письмо можно было бы запечатать в бутылку и бросить в реку, но избрана другая служба) Транспортный уровень Письмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с доставкой которых местная почтовая служба справилась бы самостоятельно Сетевой уровень После сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая единица доставки — мешок Уровень соединения Мешки писем уложены в вагон. Появилась новая единица доставки — вагон Физический уровень Вагон прицеплен к локомотиву. Появилась новая единица доставки — состав. За доставку взялось другое ведомство, действующее по другим протоколам Из таблицы видно, что каждый новый уровень все больше и больше увеличивает функ­циональность системы связи. Проведем аналогию с почтовой службой. Местная почтовая служба работает с письмами, бандеролями и посылками. Почтово-багажная служба занимается еще и достав­кой грузов. Вагоны перевозят не только почту, но и людей. По рельсам ходят не только почтово-пассажирские поезда, но и грузовые составы и т. д. То есть чем выше уровень в модели связи, тем больше различных, функциональных служб его используют. Возвращаясь к системам компьютерной связи, рассмотрим, как в модели ISO/OSI происходит обмен данными между пользователями, находящимися на разных кон­тинентах. 1. На прикладном уровне с помощью специальных приложений пользователь со­здает документ (сообщение, рисунок и т. п.). 2. На уровне представления операционная система его компьютера фиксирует, где находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т. п.), и обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем. 6.4. На сеансовом уровне компьютер пользователя взаимодействует с локальной или глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя на «выход в эфир» и передают документ к протоколам транспортного уровня. 4. На транспортном уровне документ преобразуется в ту форму, в которой поло­жено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на небольшие пакеты стандартного размера. 5. Сетевой уровень определяет маршрут движения данных в сети. Так, например, если на транспортном уровне данные были «нарезаны» на пакеты, то на сете­вом уровне каждый пакет должен получить адрес, по которому он должен быть доставлен независимо от прочих пакетов. 6. Уровень соединения необходим для того, чтобы промодулировать сигналы, цир­кулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученными с сетевого уровня. Например, в компьютере эти функции выполняет сетевая карта или модем. 7. Реальная передача данных происходит на физическом уровне. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни даже байтов — только биты, то есть, элементарные единицы представления данных. Восстановление документа из них произой­дет постепенно, при переходе с нижнего на верхний уровень на компьютере клиента. Средства физического уровня лежат за пределами компьютера. В локальных сетях это оборудование самой сети. При удаленной связи с использованием телефонных модемов это линии телефонной связи, коммутационное оборудо­вание телефонных станций и т. п. На компьютере получателя информации происходит обратный процесс преобра­зования данных от битовых сигналов до документа. Особенности виртуальных соединений. Разные уровни протоколов сервера и кли­ента не взаимодействуют друг с другом напрямую, но они взаимодействуют через физический уровень. Постепенно переходя с верхнего уровня на нижний, данные непрерывно преобразуются, «обрастают» дополнительными данными, которые ана­лизируются протоколами соответствующих уровней на сопредельной стороне. Это и создает эффект виртуального взаимодействия уровней между собой. Однако, несмотря на виртуальность, это все-таки соединения, через которые тоже прохо­дят данные. На использовании виртуальных соединений основаны такие позитивные свойства электронных систем связи, как возможность работать по одному физическому каналу сразу с несколькими серверами. Но на них же основаны и такие негативные сред­ства, как «троянские программы». Троянская программа — разновидность «ком­пьютерного вируса», создающая во время сеансов связи виртуальные соединения для передачи данных о компьютере, на котором установлена. Среди этих данных может быть парольная информация, информация о содержании жесткого диска и т. п. В отличие от обычных компьютерных вирусов троянские программы не про­изводят разрушительных действий на компьютере и потому лучше маскируются. Сетевые службы. На виртуальных соединениях основаны все службы современ­ного Интернета. Так, например, пересылка сообщения от сервера к клиенту может проходить через десятки различных компьютеров. Это совсем не означает, что на каждом компьютере сообщение должно пройти через все уровни — ему достаточно «подняться» до сетевого уровня, (определяющего адресацию) при приеме и вновь «опуститься» до физического уровня при передаче. В данном случае служба пере­дачи сообщений основывается на виртуальном соединении сетевого уровня и соот­ветствующих ему протоколах (рис. 2). 8.6.4.6.4.Основные понятия Интернет В дословном переводе на русский язык интернет — это межсеть, то есть в узком смысле слова Интернет — это объединение сетей. Однако в последние годы у этого слова появился и более широкий смысл: Всемирная компьютерная сеть. Интернет можно рассматривать в физическом смысле как несколько миллионов компьютеров, связанных друг с другом всевозможными линиями связи, однако такой «физичес­кий» взгляд на Интернет слишком узок. Лучше рассматривать Интернет как некое информационное пространство. Интернет — это не совокупность прямых соединений между компьютерами. Так, например, если два компьютера, находящиеся на разных континентах, обмениваются данными в Интернете, это совсем не значит, что между ними действует одно прямое или виртуальное соединение. Данные, которые они посылают друг другу, разбиваются на пакеты, и даже в одном сеансе связи разные пакеты одного сообщения могут пройти разными маршрутами. Какими бы маршрутами ни двигались пакеты данных, они все равно достигнут пункта назначения и будут собраны вместе в цельный доку­мент. При этом данные, отправленные позже, могут приходить раньше, но это не поме­шает правильно собрать документ, поскольку каждый пакет имеет свою маркировку. Таким образом, Интернет представляет собой как бы «пространство», внутри кото­рого осуществляется непрерывная циркуляция данных. Данные перемещается между компьютерами, составляющими узлы сети, и какое-то время хранятся на их жестких дисках. 8.6.4.4. Теоретические основы Интернета Ранние эксперименты по передаче и приему информации с помощью компьюте­ров начались еще в 50-х годах и имели лабораторный характер. Лишь в конце 60-х годов на средства Агентства Перспективных Разработок министерства обороны США (DАRРА ) была создана первая сеть национального масштаба. По имени агентства она получила название АRРАNЕТ. Эта сеть связала несколько крупных научных, исследовательских и обра­зовательных центров. Ее основной задачей стала координация групп коллективов, работающих над едиными научно-техническими проектами, а основным назначе­нием стал обмен электронной почтой и файлами с научной и проектно-конструкторской документацией. Сеть АRРАNЕТ заработала в 1969 году. По-настоящему рождением Интернета принято считать 1983 год. В этом году произошли революционные изменения в программном обеспечении компьютерной связи. Днем рождения Интернета в совре­менном понимании этого слова стала дата стандартизации протокола связи ТСР/IР, лежащего в основе Всемирной сети по нынешний день. В современном понимании ТСР/IР — это не один сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях (это так называемый стек протоколов). Протокол ТСР— протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как происходит передача информации. Протокол IР — адресный. Он принадле­жит сетевому уровню и определяет, куда происходит передача. Протокол ТСР. Согласно протоколу ТСР, отправляемые данные «нарезаются» на небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя. Два компьютера, связанные между собой одним физическим соединением, могут поддерживать одновременно несколько TСР- соединений. Так, например, два промежуточных сете­вых сервера могут одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество TСР- пакетов от многочисленных клиентов. Протокол IР (Internet Рrotocol). Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой уникальный адрес (IР-адрес). Без этого нельзя говорить о точной доставке ТСР- пакетов на нужное рабочее место. Этот адрес выражается четырьмя байтами, например: 195.38.46.11. Структура IР-адреса организована так, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо TСР- пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей» надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к полу­чателю. В результате конечного числа перебросок TСР- пакет достигает адресата. В данном случае оценивается не географическая «близость». В расчет принимаются условия связи и про­пускная способность линии. Два компьютера, находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера из соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопросов, что считать «ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства - маршрутизаторы. Роль маршрути­затора в сети может выполнять как специализированный компьютер, так и специ­альная программа, работающая на узловом сервере сети. Поскольку один байт содержит до 256 различных значений, то теоретически с помощью четырех байтов можно выразить более четырех миллиардов уникальных IР- адресов (2564 за вычетом некоторого количества адресов, используемых в качестве служеб­ных). На практике же из-за особенностей адресации к некоторым типам локальных сетей количество возможных адресов составляет порядка двух миллиардов, но и это по современным меркам достаточно большая величина. 8.6.4.5. Сервисы Интернет Когда говорят о работе в Интернете или об использовании Интернета, то на самом деле речь идет не об Интернете в целом, а только об одной или нескольких из его многочисленных служб. В зависимости от конкретных целей и задач клиенты Сети используют те службы, которые им необходимы. Разные службы имеют разные протоколы. Они называются прикладными протоко­лами. Их соблюдение обеспечивается и поддерживается работой специальных про­грамм. Таким образом, чтобы воспользоваться какой-то из служб Интернета, необ­ходимо установить на компьютере программу, способную работать по протоколу данной службы. Такие программы называют клиентскими или просто клиентами. Так, например, для передачи файлов в Интернете используется специальный при­кладной протокол FТР (File Тгаnsfer Ргоtосоl). Соответственно, чтобы получить из Интернета файл, необходимо: • иметь на компьютере программу, являющуюся клиентом FТР (FТР- клиент); • установить связь с сервером, предоставляющим услуги FТР (FТР- сервером). Другой пример: чтобы воспользоваться электронной почтой, необходимо соблюсти протоколы отправки и получения сообщений. Для этого надо иметь программу (почтовый клиент) и установить связь с почтовым сервером. Так же обстоит дело и с другими службами. Терминальный режим. Исторически одной из ранних является служба удаленного управления компьютером Теlnеt. Подключившись к удаленному компьютеру по протоколу этой службы, можно управлять его работой. Такое управление еще назы­вают консольным или терминальным. В прошлом эту службу широко использовали для проведения сложных математических расчетов на удаленных вычислительных центрах. Так, например, если для очень сложных вычислений на персональном компьютере требовались недели непрерывной работы, а на удаленной супер-ЭВМ всего несколько минут, то персональный компьютер применяли для удаленного ввода данных в ЭВМ и для приема полученных результатов. В наши дни в связи с быстрым увеличением мощности персональных компьютеров необходимость в подобной услуге сократилась, но, тем не менее, службы Теlnet в Интернете продолжают существовать. Часто протоколы Те1nеt применяют для дистанционного управления техническими объектами, например телескопами, видеокамерами, промышленными роботами. Электронная почта (Е-Маil). Эта служба также является одной из наиболее ранних. Ее обеспечением в Интернете занимаются специальные почтовые серверы. Обратите внимание на то, что когда мы говорим о каком-либо сервере, не имеется в виду, что это специальный выделенный компьютер. Здесь и далее под сервером может понимать­ся программное обеспечение. Таким образом, один узловой компьютер Интернета может выполнять функции нескольких серверов и обеспечивать работу различных служб, оставаясь при этом универсальным компьютером, на котором можно выпол­нять и другие задачи, характерные для средств вычислительной техники. Почтовые серверы получают сообщения от клиентов и пересылают их по цепочке к почтовым серверам адресатов, где эти сообщения накапливаются. При установ­лении соединения между адресатом и его почтовым сервером происходит автома­тическая передача поступивших сообщений на компьютер адресата. Почтовая служба основана на двух прикладных протоколах SMTP и РОРЗ. По первому происходит отправка корреспонденции с компьютера на сервер, а по второму — прием поступивших сообщений. Существует большое разнообразие клиентских почтовых программ. К ним относится, например, программа Microsoft OutLook Express, входящая в состав операционной системы Windows 98 как стандартная. Более мощная программа, интегрирующая в себе кроме поддержки электронной почты и другие средства делопроизводства, Microsoft OutLook 2000, входит в состав известного пакета Microsoft office 2000. Из специализированных почтовых программ хорошую популярность имеют программы The Bat! и Eudora Рго. Списки рассылки (Mail List). Обычная электронная почта предполагает наличие двух партнеров по переписке. Если же партнеров нет, то достаточно большой поток почто­вой информации в свой адрес можно обеспечить, подписавшись на списки рассылки. Это специальные тематические серверы, собирающие информацию по определенным темам и переправляющие ее подписчикам в виде сообщений электронной почты. Темами списков рассылки может быть что угодно, например вопросы, связанные с изучением иностранных языков, научно-технические обзоры, презентация новых программных и аппаратных средств вычислительной техники (рис. 8.3). Большин­ство телекомпаний создают списки рассылки на своих узлах, через которые рассылают клиентам аннотированные обзоры телепрограмм. Списки рассылки позволяют эффек­тивно решать вопросы регулярной доставки данных. Служба телеконференций (Usenet). Служба телеконференций похожа на циркулярную рассылку электронной почты, в ходе которой одно сообщение отправляется не одному корреспонденту, а большой группе (такие группы называются телекон­ференциями или группами новостей). Обычное сообщение электронной почты пересылается по узкой цепочке серверов от отправителя к получателю. При этом не предполагается его хранение на промежу­точных серверах. Сообщения, направленные на сервер группы новостей, отправля­ются с него на все серверы, с которыми он связан, если на них данного сообщения еще нет. Далее процесс повторяется. Характер распространения каждого отдельного сообщения напоминает лесной пожар. На каждом из серверов поступившее сообщение хранится ограниченное время (обычно неделю), и все желающие могут в течение этого времени с ним ознако­миться. Распространяясь во все стороны, менее чем за сутки сообщения охватывают весь земной шар. Далее распространение затухает, поскольку на сервер, который уже имеет данное сообщение, повторная передача производиться не может. Ежедневно в мире создается порядка миллиона сообщений для групп новостей. Выбрать в этом массиве действительно полезную информацию практически невоз­можно. Поэтому вся система телеконференций разбита на тематические группы. Сегодня в мире насчитывают порядка 50 000 тематических групп новостей. Они охватывают большинство тем, интересующих массы. Особой популярностью пользуются группы, посвященные вычислительной технике. Огромный объем сообщений в группах новостей значительно затрудняет их целе­направленный мониторинг, поэтому в некоторых группах производится предва­рительный «отсев» бесполезной информации (в частности, рекламной), не отно­сящейся к теме конференции. Такие конференции называют модерируемыми. В качестве модератора может выступать не только человек, но и программа, фильтру­ющая сообщения по определенным ключевым словам. В последнем случае говорят об автоматической модерации. Для работы со службой телеконференций существуют специальные клиентские программы. Так, например, приложение Microsoft OutLook Express, указанное выше как почтовый клиент, позволяет работать также и со службой телеконференций. Для начала работы надо настроить программу на взаимодействие с сервером групп новостей, оформить «подписку» на определенные группы и- периодически, как и электронную почту, получать все сообщения, проходящие по теме этой группы. В данном случае слово «подписка» не предполагает со стороны клиента никаких обязательств или платежей — это просто указание серверу о том, что сообщения по указанным темам надо доставлять, а по прочим — нет. Отменить подписку или изменить ее состав можно в любой удобный момент. Служба Word Wide Web (WWW). Безусловно, это самая популярная служба современного Интернета. Ее нередко отождествляют с Интернетом, хотя на самом деле это лишь одна из его многочисленных служб. Word Wide Web — это единое информационное пространство, состоящее из сотен мил­лионов взаимосвязанных электронных документов, хранящихся на Web-серверах. Отдельные документы, составляющие пространство Web, называют Web-страницами. Группы тематически объединенных Web-страниц называют Web-узлами (жаргонный термин — Web-сайт или просто сайт). Один физический Web-сервер может содер­жать достаточно много Web-узлов, каждому из которых, как правило, отводится отдельный каталог на жестком диске сервера. От обычных текстовых документов Web-страницы отличаются тем, что они оформ­лены без привязки к конкретному носителю. Электронные Web-документы предназначены для просмотра на экране компьютера, причем заранее не известно на каком. Неизвестны ни размеры экрана, ни параметры цветового и графического разрешения, неизвестна даже операционная система, с которой работает компьютер клиента. Поэтому Web-документы не могут иметь «жесткого» форматирования. Оформление выполняется непосредственно во время их воспроизведения на ком­пьютере клиента и происходит оно в соответствии с настройками программы, выпол­няющей просмотр. Программы для просмотра Web-страниц называют броузерами. В литературе также можно встретить «неустоявшиеся» термины браузер или обозреватель. Во всех случаях речь идет о некотором средстве просмотра Web-документов. Броузер выполняет отображение документа на экране, руководствуясь командами, которые автор документа внедрил в его текст (если автор применяет автоматические средства подготовки Web-документов, необходимые команды внедряются автома­тически). Такие команды называются тегами. От обычного текста они отличаются тем, что заключены в угловые скобки. Большинство тегов используются парами: открывающий тег и закрывающий. Закрывающий тег начинается с символа «/». <СЕNТЕR> Этот текст должен выравниваться по центру экрана Этот текст выравнивается по левой границе экрана Этот текст выравнивается по правой границе экрана Сложные теги имеют кроме ключевого слова дополнительные атрибуты и пара­метры, детализирующие способ их применения. Правила записи тегов содержатся в спецификации особого языка разметки, близкого к языкам программирования. Он называется языком разметки гипертекста — НТМL (НурегТехt Маrkup Language). Таким образом, документ представляет собой обычный текстовый документ, размеченный тегами HTML. Такие документы также называют НТМL - документами или документами в формате НТМL. При отображении HTML-документа на экране с помощью броузера теги не пока­зываются, и мы видим только текст, составляющий документ. Однако оформление этого текста (выравнивание, цвет, размер и начертание шрифта, и прочее) выполня­ется в соответствии с тем, какие теги имплантированы в текст документа. Существуют специальные теги для внедрения графических и мультимедийных объектов (звук, музыка, видеоклипы). Встретив, такой тег, обозреватель делает запрос к серверу на доставку файла, связанного с тегом, и воспроизводит его в соответ­ствии с заданными Наиболее важной чертой Web-страниц, реализуемой с помощью тегов НТМL, явля­ются гипертекстовые ссылки. С любым фрагментом текста или, например, с рисунком с помощью тегов можно связать иной Web-документ, то есть установить гиперссылку. В этом случае при щелчке левой кнопкой мыши на тексте или рисунке, являю­щемся гиперссылкой, отправляется запрос на доставку нового документа. Этот документ, в свою очередь, тоже может иметь гиперссылки на другие документы. Таким образом, совокупность огромного числа гипертекстовых электронных доку­ментов, хранящихся на серверах WWW, образует своеобразное гиперпространство документов, между которыми возможно перемещение. Произвольное перемещение между документами в Web-пространстве называют Web-серфингом (выполняется с целью ознакомительного просмотра). Целенаправленное перемещение между Web-документами называют Web-навигацией (выполняется с целью поиска нужной информации). Гипертекстовая связь между сотнями миллионов документов, хранящихся на физи­ческих серверах Интернета, является основой существования логического простран­ства Word Wide Web. Однако такая связь не могла бы существовать, если бы каждый документ в этом пространстве не обладал своим уникальным адресом. Адрес любого файла во всемирном масштабе опре­деляется унифицированным указателем ресурса — URL. Адрес URL состоит из трех частей. 1. Указание службы, которая осуществляет доступ к данному ресурсу (обычно обозначается именем прикладного протокола, соответствующего данной службе). Так, например, для службы WWW прикладным является протокол HTTP (HyperText Transfer Protocol — протокол передачи гипертекста). После имени протокола ставится двоеточие (:) и два знака «/» (косая черта): http://... 2. Указание доменного имени компьютера (сервера), на котором хранится дан­ный ресурс: http://www.abcde.com... 6.4. Указания полного пути доступа к файлу на данном компьютере. В качестве разделителя используется символ «/» (косая черта): http://www.abcde.com/Files/New/abcdefg.zip При записи URL-адреса важно точно соблюдать регистр символов. В отличие от правил работы в MS-DOS и Windows, в Интернете строчные и прописные символы считаются разными. Именно в форме URL и связывают адрес ресурса с гипертекстовыми ссылками на Web-страницах. При щелчке на гиперссылке броузер посылает запрос для поиска и доставки ресурса, указанного в ссылке. Если по каким-то причинам он не найден, выдается сообщение о том, что ресурс недоступен (возможно, что сервер временно отключен или изменился адрес ресурса). Служба имен доменов (DNS). Когда мы говорили о протоколах Интернета, то сказали, что адрес любого компьютера или любой локальной сети в Интернете может быть выражен четырьмя байтами, например так: 195.28.132.97 А только что мы заявили, что каждый компьютер имеет уникальное доменное имя, например такое: www.abcdef.com Это просто две разных формы записи адреса одного и того же сетевого компьютера. Человеку неудобно работать с числовым представлением IP-адреса, зато доменное имя запоминается легко, особенно если учесть, что, как правило, это имя имеет содержание. Например, Web-сервер компании Microsoft имеет имя www.microsoft.com, а Web-сервер компании «Космос ТВ» имеет имя www.kosmostv.ru (суффикс .ru в конце имени говорит о том, что сервер компа­нии принадлежит российскому сектору Интернета). Нетрудно «реконструировать» и имена для других компаний. С другой стороны, автоматическая работа серверов сети организована с использова­нием четырехзначного числового адреса. Благодаря ему, промежуточные серверы могут осуществлять передачу запросов и ответов в нужном направлении, не зная, где конкретно находятся отправитель и получатель. Поэтому необходим перевод доменных имен в связанные с ними IP-адреса. Этим и занимаются серверы службы имен доменов DNS. Наш запрос на получение одной из страниц сервера www.abcde.com сначала обрабатывается сервером DNS, и далее он направляется по IP-адресу, а не по доменному имени. Служба передачи файлов (FTP). Прием и передача файлов составляют значи­тельный процент от прочих Интернет - услуг. Необходимость в передаче файлов возникает, например, при приеме файлов программ, при пересылке крупных доку­ментов (например, книг), а также при передаче архивных файлов, в которых запа­кованы большие объемы информации. Служба FTP имеет свои серверы в мировой сети, на которых хранятся архивы данных. Со стороны клиента для работы с серверами FTP может быть установлено специ­альное программное обеспечение, хотя в большинстве случаев броузеры WWW обладают встроенными возможностями для работы и по протоколу FTP. Протокол FTP работает одновременно с двумя ТСР - соединениями между серве­ром и клиентом. По одному соединению идет передача данных, а второе соедине­ние используется как управляющее. Протокол FTP также предоставляет серверу средства для идентификации обратившегося клиента. Этим часто пользуются ком­мерческие серверы и серверы ограниченного доступа, поставляющие информацию только зарегистрированным клиентам, — они выдают запрос на ввод имени пользо­вателя и связанного с ним пароля. Однако существуют и десятки тысяч FTP-серверов с анонимным доступом для всех желающих. В этом случае в качестве имени пользователя надо ввести слово: anonymous, а в качестве пароля задать адрес элек­тронной почты. В большинстве случаев программы-клиенты FTP делают это авто­матически. IRC. Служба IRC (Internet Relay Chat) предназначена для прямого общения несколь­ких человек в режиме реального времени. Иногда службу IRC называют чат - конференциями или просто чатом. В отличие от системы телеконференций, в которой общение между участниками обсуждения темы открыто всему миру, в системе IRC общение происходит только в пределах одного канала, в работе которого принимают участие обычно лишь несколько человек. Каждый пользователь может создать соб­ственный канал и пригласить в него участников «беседы» или присоединиться к одному из открытых в данный момент каналов. Существует несколько популярных клиентских программ для работы с серверами и сетями, поддерживающими сервис IRC. Одна из наиболее популярных, про­грамма mlRC.exe. ICQ. Эта служба предназначена для поиска сетевого IP-адреса человека, подключен­ного в данный момент к Интернету. Необходимость в подобной услуге связана с тем, что большинство пользователей не имеют постоянного IP-адреса. Название службы является антонимом выражения I seek you — я тебя ищу. Для пользования этой службой надо зарегистрироваться на ее центральном сервере (http://www.icq.com) и получить персональный идентификационный номер UIN (Universal Internet Number). Данный номер можно сообщить партнерам по контактам, и тогда служба ICQ приобретает характер Интернет - пейджера. Зная номер UIN партнера, но, не зная его текущий IP-адрес, можно через центральный сервер службы отправить ему сообщение с предложением установить соединение. Как было указано выше, каждый компьютер, подключенный к Интернету, должен иметь четырехзначный IP-адрес. Этот адрес может быть постоянным или динами­чески временным. Те компьютеры, которые включены в Интернет на постоянной основе, имеют постоянные IP-адреса. Большинство же пользователей подключа­ются к Интернету лишь на время сеанса. Им выдается динамический IP-адрес, дей­ствующий только в течение данного сеанса. Этот адрес выдает тот сервер, через который происходит подключение. В разных сеансах динамический IP-адрес может быть различным, причем заранее неизвестно каким. При каждом подключении к Интернету программа ICQ, установленная на нашем компьютере, определяет текущий IP-адрес и сообщает его центральной службе, которая, в свою очередь, оповещает наших партнеров по контактам. Далее наши партнеры (если они тоже являются клиентами данной службы) могут установить с нами прямую связь. Программа предоставляет возможность выбора режима связи («готов к контакту»; «прошу не беспокоить, но готов принять срочное сообщение»; «закрыт для контакта» и т. п.). После установления контакта связь происходит в режиме, аналогичном сервису IRC. 8.6.4.7. Средства использование сетевых сервисов Подключение к Интернету Для работы в Интернете необходимо: • физически подключить компьютер к одному из узлов Всемирной сети; • получить IP-адрес на постоянной или временной основе; • установить и настроить программное обеспечение — программы-клиенты тех служб Интернета, услугами которых предполагается пользоваться. Организации, предоставляющие возможность подключения к своему узлу и выделя­ющие IP-адреса, называются поставщиками услуг Интернета (используется также термин сервис - провайдер). Они оказывают подобную услугу на договорной основе. Физическое подключение может быть выделенным или коммутируемым. Для выде­ленного соединения необходимо проложить новую или арендовать готовую физичес­кую линию связи (кабельную, оптоволоконную, радиоканал, спутниковый канал и т. п.). Такое подключение используют организации и предприятия, нуждающиеся в передаче больших объемов данных. От типа линии связи зависит ее пропускная способность (измеряется в единицах бит в секунду). В настоящее время пропускная способность мощных линий связи (оптоволоконных и спутниковых) составляет сотни мегабит в секунду (Мбит/с). В противоположность выделенному соединению коммутируемое соединение — временное. Оно не требует специальной линии связи и может быть осуществлено, например, по телефонной линии. Коммутацию (подключение) выполняет автомати­ческая телефонная станция (АТС) по сигналам, выданным в момент набора теле­фонного номера. Для телефонных линий связи характерна низкая пропускная способность. В зависи­мости от того, какое оборудование использовано на станциях АТС по пути следо­вания сигнала, различают аналоговые и цифровые телефонные линии. Основную часть телефонных линий в городах России составляют устаревшие аналоговые линии. Их предельная пропускная способность немногим более 30 Кбит/с (одна - две страницы текста в секунду или одна-две фотографии стандартного размера в минуту). Пропускная способность цифровых телефонных линий составляет 60-120 Кбит/с, то есть в 2-4 раза выше. По аналоговым телефонным линиям связи можно передавать и видеоинформацию (что используется в видеоконференциях), но размер окна, в котором отображаются видеоданные, обычно невелик (порядка 150х 150 точек) и частота смены кадров мала для получения качественного видеоряда (1-2 кадра в секунду). Для сравнения: в обычном телевидении частота кадров — 25 кадров в секунду. Телефонные линии связи никогда не предназначались для передачи цифровых сигналов — их характеристики подходят только для передачи голоса, причем в доста­точно узком диапазоне частот — 300-3 000 Гц. Поэтому для передачи цифровой информации несущие сигналы звуковой частоты модулируют по амплитуде, фазе и частоте. Такое преобразование выполняет специальное устройство — модем (назва­ние образовано от слов модулятор и демодулятор). Установка модема По способу подключения различают внешние и внутренние модемы. Внешние модемы подключают к разъему последовательного порта, выведенному на заднюю стенку системного блока. Внутренние модемы устанавливают в один из разъемов расши­рения материнской платы. Поток данных, проходящих через модем, очень мал по сравнению с потоками, про­ходящими через другие устройства компьютера. Поэтому до последнего времени модемы подключали к разъемам (слотам) устаревшей малопроизводительной шины ISA. Однако в настоящее время начат выпуск модемов, рассчитанных на подклю­чение к шине PCI. Как и другие устройства компьютера, модем требует не только аппаратной, но и программной установки. В операционной системе Windows ее можно выполнить стандартными средствами Пуск > Настройка > Панель управления > Установка обору­дования, хотя для модемов есть и специальное средство: Пуск > Настройка > Панель управления > Модемы. Подключение к компьютеру поставщика услуг Интернета Для подключения к компьютеру поставщика услуг Интернета надо правильно настро­ить программу Удаленный доступ к сети (Мой компьютер > Удаленный доступ к сети > Новое соединение). При настройке программы необходимы данные, которые должен сообщить поставщик услуг: • номер телефона, по которому производится соединение; • имя пользователя (login); • пароль (password); • IP-адрес сервера DNS (на всякий случай вводят два адреса — основной и допол­нительный, используемый, если основной сервер DNS по каким-то причинам временно не работает). Этих данных достаточно для подключения к Интернету, хотя при заключении договора с поставщиком услуг можно получить и дополнительную информацию, например номера телефонов службы поддержки. Вводить собственный IР-адрес для настройки программы не надо. Сервер поставщика услуг выделит его автома­тически на время проведения сеанса работы. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое глобальная компьютерная сеть Internet? 2. Как работает электронная почта? 3. Какие виды обмена информацией приняты в электронной почте? 4. Каков электронный адрес нашего вуза и что означают его составляющие? 5. Какие виды работ поддерживает сеть Internet? 6. Что такое телеконференции? 7. Как можно передать файлы по Internet? 8. Что такое World-Wide-Web? 9. Что такое гиперссылка? 10. Что представляет собой гипертекст? Лекция 9.1. Информационная безопасность (ИБ) и ее составляющие В вычислительной технике понятие безопасности является весьма широким. Оно подразумевает и надежность работы компьютера, и сохранность ценных данных, и защиту информации от внесения в нее изменений неуполномоченными лицами, и сохранение тайны переписки в электронной связи. Разумеется, во всех цивилизо­ванных странах на страже безопасности граждан стоят законы, но в сфере вычис­лительной техники правоприменительная практика пока развита недостаточно, а законотворческий процесс не успевает за развитием технологий, поэтому надеж­ность работы компьютерных систем во многом опирается на меры самозащиты. Компьютерные вирусы 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 являются: • программные вирусы; • загрузочные вирусы; • макровирусы. К компьютерным вирусам примыкают и так называемые троянские кони (троян­ские программы, троянцы). Программные вирусы. Программные вирусы — это блоки программного кода, целе­направленно внедренные внутрь других прикладных программ. При запуске про­граммы, несущей вирус, происходит запуск имплантированного в нее вирусного кода. Работа этого кода вызывает скрытые от пользователя изменения в файловой системе жестких дисков и/или в содержании других программ. Так, например, вирус­ный код может воспроизводить себя в теле других программ — этот процесс называ­ется размножением. По прошествии определенного времени, создав достаточное количество копий, программный вирус может перейти к разрушительным действи­ям — нарушению работы программ и операционной системы, удалению информации, хранящейся на жестком диске. Этот процесс называется вирусной атакой. Самые разрушительные вирусы могут инициировать форматирование жестких дисков. Поскольку форматирование диска — достаточно продолжительный процесс, который не должен пройти незамеченным со стороны пользователя, во многих случаях программные вирусы ограничиваются уничтожением данных только в системных секторах жесткого диска, что эквивалентно потере таблиц файловой структуры. В этом случае данные на жестком диске остаются нетронутыми, но восполь­зоваться ими без применения специальных средств нельзя, поскольку неизвестно, какие сектора диска каким файлам принадлежат. Теоретически восстановить данные в этом случае можно, но трудоемкость этих работ исключительно высока. Считается, что никакой вирус не в состоянии вывести из строя аппаратное обеспе­чение компьютера. Однако бывают случаи, когда аппаратное и программное обес­печение настолько взаимосвязаны, что программные повреждения приходится устранять заменой аппаратных средств. Так, например, в большинстве современ­ных материнских плат базовая система ввода-вывода (BIOS) хранится в перезапи­сываемых постоянных запоминающих устройствах (так называемая флэш-память). Возможность перезаписи информации в микросхеме флэш-памяти используют некоторые программные вирусы для уничтожения данных BIOS. В этом случае для восстановления работоспособности компьютера требуется либо замена микро­схемы, хранящей BIOS, либо ее перепрограммирование на специальных устрой­ствах, называемых программаторами. Программные вирусы поступают на компьютер при запуске непроверенных про­грамм, полученных на внешнем носителе (гибкий диск, компакт-диск и т. п.) или принятых из Интернета. Особое внимание следует обратить на слова при запуске. При обычном копировании зараженных файлов заражение компьютера произойти не может. В связи с этим все данные, принятые из Интернета, должны проходить обязательную проверку на безопасность, а если получены незатребованные данные из незнакомого источника, их следует уничтожать, не рассматривая. Обычный прием распространения «троянских» программ — приложение к электронному письму с «рекомендацией» извлечь и запустить якобы полезную программу. Загрузочные вирусы. От программных вирусов загрузочные вирусы отличаются методом распространения. Они 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. Так, напри­мер, при попытке загрузить компьютер с гибкого диска происходит сначала про­никновение вируса в оперативную память, а затем в загрузочный сектор жестких дисков. Далее этот компьютер сам становится источником распространения загру­зочного вируса. Макровирусы. Эта особая разновидность вирусов поражает документы, выполнен­ные в некоторых прикладных программах, имеющих средства для исполнения так называемых макрокоманд. В частности, к таким документам относятся 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. Как и для других типов вирусов, резуль­тат атаки может быть как относительно безобидным, так и разрушительным. Методы защиты от компьютерных вирусов Существуют три рубежа защиты от компьютерных вирусов: • предотвращение поступления вирусов; • предотвращение вирусной атаки, если вирус все-таки поступил на компьютер; • предотвращение разрушительных последствий, если атака все-таки произошла. Существуют три метода реализации защиты: • программные методы защиты; • аппаратные методы защиты; • организационные методы защиты. В вопросе защиты ценных данных часто используют бытовой подход: «болезнь лучше предотвратить, чем лечить». К сожалению, именно он и вызывает наиболее разрушительные последствия. Создав бастионы на пути проникновения вирусов в компьютер, нельзя положиться на их прочность и остаться неготовым к действиям после разрушительной атаки. К тому же, вирусная атака — далеко не единственная и даже не самая распространенная причина утраты важных данных. Существуют программные сбои, которые могут вывести из строя операционную систему, а также аппаратные сбои, способные сделать жесткий диск неработоспособным. Всегда существует вероятность утраты компьютера вместе с ценными данными в резуль­тате кражи, пожара или иного стихийного бедствия. Поэтому создавать систему безопасности следует в первую очередь «с конца» — с предотвращения разрушительных последствий любого воздействия, будь то вирус­ная атака, кража в помещении или физический выход жесткого диска из строя. Надежная и безопасная работа с данными достигается только тогда, когда любое неожиданное событие, в том числе и полное физическое уничтожение компьютера не приведет к катастрофическим последствиям. Средства антивирусной защиты Основным средством защиты информации является резервное копирование наибо­лее ценных данных. При резервировании данных следует также иметь в виду и то, что надо отдельно сохранять все регистрационные и парольные данные для доступа к сетевым служ­бам Интернета. Их не следует хранить на компьютере. Создавая план мероприятий по резервному копированию информации, необходимо учитывать, что резервные копии должны храниться отдельно от компьютера. То есть, например, резервирование информации на отдельном жестком диске того же компьютера только создает иллюзию безопасности. Относительно новым и доста­точно надежным приемом хранения ценных, но не конфиденциальных данных явля­ется их хранение в Web-папках на удаленных серверах в Интернете. Есть службы, бесплатно предоставляющие пространство (до нескольких Мбайт) для хранения данных пользователя. Резервные копии конфиденциальных данных сохраняют на внешних носителях, которые хранят в сейфах, желательно в отдельных помещениях. При разработке организационного плана резервного копирования учитывают необходимость создания не менее двух резервных копий, сохраняемых в разных местах. Между копиями осуществ­ляют ротацию. Например в течение недели ежедневно копируют данные на носи­тели резервного комплекта А, а через неделю их заменяют комплектом Б, и т. д. Вспомогательными средствами защиты информации являются антивирусные программы и средства аппаратной защиты. Так, например, простое отключение пере­мычки на материнской плате не позволит осуществить стирание перепрограммируе­мой микросхемы ПЗУ (флэш - BIOS), независимо от того, кто будет пытаться это сделать: компьютерный вирус, злоумышленник или неаккуратный пользователь. Существует достаточно много программных средств антивирусной защиты. Они предоставляют следующие возможности. 1. Создание образа жесткого диска на внешних носителях (например, на гибких дисках). В случае выхода из строя данных в системных областях жесткого диска сохраненный «образ диска» может позволить восстановить если не все данные, то, по крайней мере, их большую часть. Это же средство может защитить от утраты данных при аппаратных сбоях и при неаккуратном форматировании жесткого диска. 2. Регулярное сканирование жестких дисков в поисках компьютерных вирусов. Сканирование обычно выполняется автоматически при каждом включении компьютера и при размещении внешнего диска в считывающем устройстве. При сканировании следует иметь в виду, что антивирусная программа ищет вирус путем сравнения кода программ с кодами известных ей вирусов, храня­щимися в базе данных. Если база данных устарела, а вирус является новым, сканирующая программа его не обнаружит. Для надежной работы следует регу­лярно обновлять антивирусную программу. Желательная периодичность обнов­ления — один раз в две недели; допустимая — один раз в три месяца. Для примера укажем, что разрушительные последствия атаки вируса W95.CIH.1075 («Черно­быль»), вызвавшего уничтожение информации на сотнях тысяч компьютеров 26 апреля 1999 года, были связаны не с отсутствием средств защиты от него, а с длительной задержкой (более года) в обновлении этих средств. 6.4. Контроль, за изменением размеров и других атрибутов файлов. Поскольку неко­торые компьютерные вирусы на этапе размножения изменяют параметры зара­женных файлов, контролирующая программа может обнаружить их деятель­ность и предупредить пользователя. 4. Контроль, за обращениями к жесткому диску. Поскольку наиболее опасные операции, связанные с работой компьютерных вирусов, так или иначе, обращены на модификацию данных, записанных на жестком диске, антивирусные про­граммы могут контролировать обращения к нему и предупреждать пользова­теля о подозрительной активности. Популярные антивирусные средства Среди наиболее популярных к российских пользователей антивирусных пакетов можно назвать программы: Norton Antivirus, Антивирус Касперского и Dr.Web. По различным оценкам, в настоящее время продукты Лаборатории Касперского занимают большую часть российского рынка. Прочие производители, в первую очередь Symantec, «Диалог – Наука», Trend Micro и Panda, делят оставшуюся долю рынка. 9.1.2. Защита от несанкционированного вмешательства Организация надежной защиты КС невозможна с помощью только программно - аппаратных средств. Очень важным является административный контроль работы КС и защита от несанкционированного доступа к информации (объектам). При организации доступа субъектов к объектам выполняются следующие действия: • идентификация и аутентификация субъекта доступа; • проверка прав доступа субъекта к объекту; • ведение журнала учета действий субъекта. При входе в КС, при получении доступа к программам и конфиденциальным данным субъект должен быть идентифицирован и аутентифицирован. Эти операции обычно выполняются вместе. Пользователь сначала сообщает сведения, позволяющие выделить его из множества субъектов (идентификация), а затем сообщает секретные сведения, подтверждающие, что он тот, за кого себя выдает. Иногда проводится дополнительно авторизация субъекта, под которой понимается создание программной среды для его работы. Для аутентификации субъекта чаще всего используются атрибутивные идентификаторы, которые делят на следующие категории: • пароли; • съемные носители информации; • электронные жетоны; • пластиковые карты; • механические ключи. В настоящее время аппаратура КС поддерживает ввод пароля до начала загрузки ОС. Такой пароль хранится в энергонезависимой памяти и обеспечивает предотвращение НСД до загрузки любых программных средств. Другие способы (съемные носители, карты и др.) предполагают наличие технических средств, хранящих идентификационную информацию. 9.1.6.4. Специфика обработки конфиденциальной информации При работе в Интернете следует иметь в виду, что насколько ресурсы Всемирной сети открыты каждому клиенту, настолько же и ресурсы его компьютерной системы могут быть при определенных условиях открыты всем, кто обладает необходимыми средствами. Для частного пользователя этот факт не играет особой роли, но знать о нем необ­ходимо, чтобы не допускать действий, нарушающих законодательства тех стран, на территории которых расположены серверы Интернета. К таким действиям отно­сятся вольные или невольные попытки нарушить работоспособность компьютерных систем, попытки взлома защищенных систем, использование и распространение программ, нарушающих работоспособность компьютерных систем (в частности, компьютерных вирусов). Работая во Всемирной сети, следует помнить о том, что абсолютно все действия фиксируются и протоколируются специальными программными средствами и информация, как о законных, так и о незаконных действиях обязательно где-то накапливается. Однако даже в обычной почтовой связи наряду с открытками существуют и почто­вые конверты. Потребность в аналогичных «конвертах» для защиты информации существует и в Интернете. Сегодня Интернет является не только средством общения и универ­сальной справочной системой — в нем циркулируют договорные и финансовые обязательства, необходимость защиты которых как от просмотра, так и от фальсифи­кации, очевидна. Начиная с 1999, года Интернет становится мощным средством обеспечения розничного торгового оборота, а это требует защиты данных кредитных карт и других электронных платежных средств. Принципы защиты информации в Интернете опираются на определение инфор­мации, сформулированное нами в первой главе. Информация — это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов. Если в ходе коммуни­кационного процесса данные передаются через открытые системы (а Интернет относится именно к таковым), то исключить доступ к ним посторонних лиц невоз­можно даже теоретически. Соответственно, системы защиты сосредоточены на втором компоненте информации — на методах. Их принцип действия основан на том, чтобы исключить или, по крайней мере, затруднить возможность подбора адекват­ного метода для преобразования данных в информацию. Одним из приемов такой защиты является шифрование данных. Понятие о несимметричном шифровании информации Системам шифрования столько же лет, сколько письменному обмену информацией. Обычный подход состоит в том, что к документу применяется некий метод шиф­рования (назовем его ключом), после чего документ становится недоступен для чтения обычными средствами. Его можно прочитать только тот, кто знает ключ, — только он может применить адекватный метод чтения. Аналогично происходит шифрование и ответного сообщения. Если в процессе обмена информацией для шифрования и чтения пользуются одним и тем же ключом, то такой криптографичес­кий процесс является симметричным. Основной недостаток симметричного процесса заключается в том, что, прежде чем начать обмен информацией, надо выполнить передачу ключа, а для этого опять-таки нужна защищенная связь, то есть проблема повторяется, хотя и на другом уровне. Если рассмотреть оплату клиентом товара или услуги с помощью кредит­ной карты, то получается, что торговая фирма должна создать по одному ключу для каждого своего клиента и каким-то образом передать им эти ключи. Это крайне неудобно. Поэтому в настоящее время в Интернете используют несимметричные криптогра­фические системы, основанные на использовании не одного, а двух ключей. Про­исходит это следующим образом. Компания для работы с клиентами создает два ключа: один открытый (public — публичный) ключ, а другой закрытый (private — личный) ключ. На самом деле это как бы две «половинки» одного целого ключа, связанные друг с другом. Ключи устроены так, что сообщение, зашифрованное одной половинкой, можно расшифровать только другой половинкой (не той, которой оно было закодировано). Создав пару ключей, торговая компания широко распространяет публичный ключ (открытую половинку) и надежно сохраняет закрытый ключ (свою половинку). Как публичный, так и закрытый ключ представляют собой некую кодовую последо­вательность. Публичный ключ компании может быть опубликован на ее сервере, откуда каждый желающий может его получить. Если клиент хочет сделать фирме заказ, он возьмет ее публичный ключ и с его помощью закодирует свое сообщение о заказе и данные о своей кредитной карте. После кодирования это сообщение может прочесть только владелец закрытого ключа. Никто из участников цепочки, по кото­рой пересылается информация, не в состоянии это сделать. Даже сам отправитель не может прочитать собственное сообщение, хотя ему хорошо известно содержание. Лишь получатель сможет прочесть сообщение, поскольку только у него есть закры­тый ключ, дополняющий использованный публичный ключ. Если фирме надо будет отправить клиенту квитанцию о том, что заказ принят к исполнению, она закодирует ее своим закрытым ключом. Клиент сможет прочитать квитанцию, воспользовавшись имеющимся у него публичным ключом данной фирмы. Он может быть уверен, что квитанцию ему отправила именно эта фирма, и никто иной, поскольку никто иной доступа к закрытому ключу фирмы не имеет. Принцип достаточности защиты Защита публичным ключом (впрочем, как и большинство других видов защиты, информации) не является абсолютно надежной. Дело в том, что поскольку каж­дый желающий может получить и использовать чей-то публичный ключ, то он может сколь угодно подробно изучить алгоритм работы механизма шифрования и пытаться установить метод расшифровки сообщения, то есть реконструировать закрытый ключ. Это настолько справедливо, что алгоритмы кодирования публичным ключом даже нет смысла скрывать. Обычно к ним есть доступ, а часто они просто широко пуб­ликуются. Тонкость заключается в том, что знание алгоритма еще не означает воз­можности провести реконструкцию ключа в разумно приемлемые сроки. Так, напри­мер, правила игры в шахматы известны всем, и нетрудно создать алгоритм для перебора всех возможных шахматных партий, но он никому не нужен, поскольку даже самый быстрый современный суперкомпьютер будет работать над этой задачей дольше, чем существует жизнь на нашей планете. Количество комбинаций, которое надо проверить при реконструкции закрытого ключа, не столь велико, как количество возможных шахматных партий, однако защиту информации принято считать достаточной, если затраты на ее преодоле­ние превышают ожидаемую ценность самой информации. В этом состоит принцип достаточности защиты, которым руководствуются при использовании несиммет­ричных средств шифрования данных. Он предполагает, что защита не абсолютна, и приемы ее снятия известны, но она все же достаточна для того, чтобы сделать это мероприятие нецелесообразным. При появлении иных средств, позволяющих-таки получить зашифрованную информацию в разумные сроки, изменяют принцип работы алгоритма, и проблема повторяется на более высоком уровне. Разумеется, не всегда реконструкцию закрытого ключа производят методами простого перебора комбинаций. Для этого существуют специальные методы, основанные на исследовании особенностей взаимодействия открытого ключами с определен­ными структурами данных. Область науки, посвященная этим исследованиям, назы­вается криптоанализом, а средняя продолжительность времени, необходимого для реконструкции закрытого ключа по его опубликованному открытому ключу, называ­ется криптостойкостъю алгоритма шифрования. Для многих методов несимметричного шифрования криптостойкость, полученная в результате криптоанализа, существенно отличается от величин, заявляемых раз­работчиками алгоритмов на основании теоретических оценок. Поэтому во многих странах вопрос применения алгоритмов шифрования данных находится в поле законодательного регулирования. В частности, в России к использованию в госу­дарственных и коммерческих организациях разрешены только те программные средства шифрования данных, которые прошли государственную сертификацию в административных органах, в частности, в Федеральном агентстве правитель­ственной связи и информации при Президенте Российской Федерации (ФАПСИ). Понятие об электронной подписи Мы рассмотрели, как клиент может переслать организации свои конфиденциаль­ные данные (например, номер электронного счета). Точно так же он может общаться и с банком, отдавая ему распоряжения о перечислении своих средств на счета других лиц и организаций. Ему не надо ездить в банк и стоять в очереди — все можно сделать, не отходя от компьютера. Однако здесь возникает проблема: как банк узнает, что распоряжение поступило именно от данного лица, а не от злоумышленника, выдающего себя за него? Эта проблема решается с помощью так называемой элек­тронной подписи. Принцип ее создания тот же, что и рассмотренный выше. Если нам надо создать себе электронную подпись, следует с помощью специальной программы (получен­ной от банка) создать те же два ключа: закрытый и публичный. Публичный ключ передается банку. Если теперь надо отправить поручение банку на операцию с рас­четным счетом, оно кодируется публичным ключом банка, а своя подпись под ним кодируется собственным закрытым ключом. Банк поступает наоборот. Он читает поручение с помощью своего закрытого ключа, а подпись — с помощью публичного ключа поручителя. Если подпись читаема, банк может быть уверен, что поручение ему отправили именно мы, и никто другой. Вопросы для самоконтроля 1. Какие угрозы безопасности информации вы знаете? 2. Какие типы вирусов вы знаете, и какую угрозу они несут? 3. Какие меры следует предпринять для обеспечения безопасности информации? 4. Какие антивирусные программы вы знаете? 5. В чем заключаются особенности обработки конфиденциальной информации, с т.з. обеспечения ее безопасности? 6. Что такое электронная подпись?