Программное обеспечение компьютера; операционные системы

Тема 5. Программное обеспечение компьютера. Операционные системы. Программное обеспечение общего назначения. Текстовые процессоры (редакторы). Программы для работы с электронными таблицами. Базы данных и системы управления базами данных. Пакеты программ для математических расчетов. Компьютерная графика. Программное обеспечение – это совокупность программ, выполняемых вычислительной системой. Виды программного обеспечения: системное, прикладное, инструментальное. Функции системного программного обеспечения: управление ресурсами вычислительной системы; работоспособности создание вычислительной копий информации; системы; выдача проверка справочной информации о системе и пр. К системному ПО относят: операционные системы, программыоболочки, утилиты (сервисные программы) Операционная система (ОС) – это совокупность программных средств, осуществляющих управление ресурсами ЭВМ, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и другими программами, а также обеспечивающих диалог пользователя с компьютером. Операционная система загружается при включении компьютера. Она предоставляет пользователю удобный интерфейс с вычислительной системой. Классификация ОС:  По количеству одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские;  По количеству одновременно решаемых задач: однозадачные, многозадачные;  По количеству поддерживаемых однопроцессорные, многопроцессорные; процессоров:  По разрядности кода ОС: 8-разрядные, 16-разрядные, 32- разрядные, 64-разрядные;  По типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно- ориентированные (графические);  По типу доступа пользователя к ЭВМ: с пакетной обработкой, с разделением времени, в режиме реального времени;  По типу использования ресурсов: сетевые, локальные. Состав ОС:  программы управления вводом-выводом  программы управления файловой системой  программы, планирующие выполнение заданий для компьютера  процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные операционной системе. Для управления внешними устройствами используются специальные системные программы – драйверы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввода-вывода (Basic Input Output System, BIOS). Файловая система – это система организации и хранения файлов. Файл – это именованная совокупность любых данных, размещенная на внешнем запоминающем устройстве и хранимая, пересылаемая и обрабатываемая как единое целое. Файл может содержать программу, числовые данные, текст, изображение и т.д. Обслуживает файлы специальный модуль ОС, называемый драйвером файловой системы. Каталог – оглавление файлов. Реквизиты файла: имя, размер, дата и время создания, тип, значок, атрибуты (системный, архивный, скрытый, только для чтения). Имя файла состоит из двух частей, разделенных точкой: имя файла.расширение Виды файлов:  исполнимые (могут непосредственно выполняться в рамках ОС без участия других программ): *.com, *.exe, *.bat, *.scr файлы  неисполнимые (не могут открываться ОС самостоятельно без использования других приложений): Операции o служебные файлы: *.sys, *.ini, *.dll и пр. o документы: *.doc, *.xls, *.mdb и пр. над файлами: создать, просмотреть, копировать, переместить, переименовать, удалить. Утилиты – вспомогательные системные программы, используемые в различных компонентах ОС (программы тестирования, диагностики и контроля; драйверы; архиваторы; антивирусные программы; программы управления дисковым форматирования пространством; восстановления программы информации; защиты данных, программы обмена информацией между компьютерами; программы управления памятью и др.) Программное обеспечение прикладного уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых выполняются конкретные задачи (производственных, творческих, развлекательных и учебных). Классификация прикладного программного обеспечения: 1) Текстовые редакторы. Основные функции — это ввод и редактирование текстовых данных. 2) Текстовые процессоры. Допускают форматирование текста. Основными средствами текстовых процессоров являются средства обеспечения взаимодействия текста, графики, таблиц и других объектов, составляющих готовый документ, а также средства автоматизации процессов редактирования и форматирования. 3) Графические редакторы. Широкий класс программ, предназначенных для создания и обработки графических изображений. Различают растровые, векторные и 3D редакторы. В растровых редакторах графический объект представлен в виде комбинации точек (растров), которые имеют свою яркость и цвет. Применяются для обработки изображений, создания фотоэффектов и художественных композиций. В векторных редакторах объектом является линия. Каждая линия рассматривается, как математическая кривая и представлена уравнением. Применяются в рекламе, полиграфии. Редакторы трехмерной графики используют для создания объемных композиций. Имеют две особенности: разрешают руководить свойствами поверхности в зависимости от свойств освещения, а также разрешают создавать объемную анимацию. 4) Системы управления базами данных (СУБД). В связи с распространением сетевых технологий, от современных СУБД требуется возможность работы с отдаленными и распределенными ресурсами, которые находятся на серверах Интернета. 5) Табличные процессоры. Программы для работы с электронными таблицами. Предоставляют комплексные средства для хранения разных типов данных и их обработки. Широкое применение находят в бухгалтерском учете, анализе финансовых и торговых рынков, средствах обработки результатов экспериментов, то есть в автоматизации регулярно повторяемых вычислений больших объемов числовых данных. 6) Программы создания презентаций. 7) Системы компьютерного моделирования. CAD/CAM/CAE-системы. 8) Настольные издательские системы. 9) Редакторы HTML (Web—редакторы). 10) Браузеры (средства просмотра Web—документов). 11) Системы автоматизированного перевода. 12) Системы оптического распознавания документов (Optical Character Recognition - OCR). 13) Интегрированные системы делопроизводства. 14) Экспертные системы. 15) Геоинформационные системы (ГИС, GIS - Geographic(al) information system) и пр. Для ввода текста в память компьютера и изменения (редактирования) введенного текста используются специальные программы, называемые редакторами. Первые редакторы были командными (line editors). Следующее поколение редакторов – экранные редакторы (screen editors) или WYSIWYG – редакторы (от англ. What you see is what you get). При их использовании текст выводится на экран в таком виде, какой он будет иметь на печати. Место изменения текста указывается специальным значком – курсором. Современные программы для работы с текстом представляют собой текстовые процессоры, которые обладают гораздо более широким спектром возможностей по сравнению с редакторами. Возможности текстовых процессоров:  создание, обработка и подготовка к печати документов различной степени сложности;  редактирование текста;  представление документа в различных форматах;  добавление в документ специальных полей (колонтитулы, сноски, примечания);  отслеживание в документе всех изменений, внесенных различными пользователями;  добавление изображений;  использование мощных средств форматирования;  проверка орфографии и пунктуации;  использование системы макросов для автоматизации процессов, необходимых при создании документов;  автоматическое создание оглавлений и указателей;  возможность работы с таблицами разных видов;  получение сведений и справок по всем возникающим вопросам;  работа с шаблонами документов и т.д. Начать работу с документом можно, либо открыв для редактирования существующий документ, либо создав новый. Если редактор работает с шаблонами документов, он предлагает пользователю выбрать шаблон, на основе которого следует создать документ Шаблон – это готовая пустая заготовка документа определенного назначения. Он определяет основную структуру документа, содержит его настройки (меню, параметры страницы, шрифты, форматирование и стили, макросы, элементы автотекста и т.д.). Все шаблоны хранятся в отдельных файлах и имеют расширение .dot. Для создания документов со сложной структурой используются Мастера. Основной принцип работы мастера документов – пошаговое создание нового документа на основе имеющихся элементов шаблонов с одновременным вводом данных в соответствующие диалоговые окна. Например, целесообразно использовать Мастер при создании Резюме. К операциям редактирования документа относят ввод, копирование, перемещение, удаление, вставка выделенных символов или фрагмента текста. Ввод данных осуществляется при помощи клавиатуры или мыши. Введенные данные вписываются в общую структуру документа. В дальнейшем эти данные могут быть изменены или удалены при помощи стандартных операций данного редактора. Ввод графических данных осуществляется при помощи мыши. Ввод числовой и текстовой информации осуществляется при помощи клавиатуры. Объектно-ориентированный подход позволяет реализовать механизм встраивания и внедрения объектов (OLE- Object Linking and Embedding). Этот механизм позволяет копировать и вставлять объекты из одного приложения в другое. Например, работая с документом в текстовом процессоре, в него можно встроить изображения, анимацию, звук и видеофрагменты. Форматы текстовых файлов: TXT, RTF, DOC, HTML и др. Класс табличных программ, данных в предназначенных электронном для виде, создания называется и обработки табличными процессорами. Особенность электронных таблиц заключается в возможности применения формул для описания связи между значениями различных ячеек. Рабочий лист электронной таблицы состоит из строк и столбцов. Столбцы озаглавлены прописными латинскими буквами (A, B, AA). Строки обозначаются арабскими цифрами. На пересечении строк и столбцов находятся ячейки таблицы. Обозначение ячейки составляется из номера столбца и строки, например, F4. Одна из ячеек всегда является активной и выделяется рамкой. Существует другой способ адресации ячейки. Столбцы задаются цифрами, перед номером строки ставится буква R, перед номером столбца – буква C, например, R4C6. Группа соседних ячеек, образующих в таблице область прямоугольной формы, называется диапазоном. Диапазон ячеек обозначается адресами ячеек, расположенных в противоположных углах прямоугольника и разделенных двоеточием (A1:A5). Для выделения строки или столбца целиком, следует щелкнуть на заголовке строки или столбца соответственно. Для выделения нескольких диапазонов одновременно надо выделить один диапазон, а затем прижать клавишу CTRL и выделить все остальные диапазоны. Вводить данные можно только в активную (выделенную) ячейку. В электронных таблицах используются данные следующих типов: текст, число, дата и время, формула, функция. Тип данных определяется автоматически при вводе. Тип данных можно переопределять. Для ввода данных необходимо выбрать ячейку и начать ввод. В строке формул также отобразится содержимое ячейки. Ввод данных можно осуществлять непосредственно в строке формул. Для завершения ввода необходимо нажать клавиши Enter или Tab. В стандартных ячейках таблицы размещается 8-9 символов. При вводе более длинного текста, он визуально располагается и на соседних ячейках. Если один раз щелкнуть на текущей ячейке и снова ввести данные, то старые данные замещаются новыми. Если дважды щелкнуть по текущей ячейке или выделить ячейку и один раз щелкнуть по строке формул, то можно редактировать содержимое, не удаляя уже введенные данные. Ввод и редактирование числовой информации аналогичны таким же операциям для текстовой информации. Если после ввода числа в ячейке появляется последовательность символов , это означает, что для отображения числа не хватает ширины столбца и ее надо увеличить. Вычисления в таблицах осуществляются при помощи формул. Формула может содержать числовые константы и ссылки на ячейки, соединенные знаками математических операций ("+", "-", "*", "/"). Для определения порядка выполнения действий используются скобки. При вводе формулы можно использовать клавиатуру и мышь, либо только клавиатуру. Перед формулой надо ввести знак равенства. Если значение в некоторой ячейке зависит от значений в других ячейках таблицы, то всегда следует использовать формулу, а не ручной ввод значения. Если ячейка содержит формулу, то на рабочем листе в ней отражен результат вычисления. Если сделать ячейку активной, то в строке формул отображается сама формула. Формулы динамичны: результаты вычислений меняются каждый раз, когда меняются значения в ячейках, на которых основаны вычисления. При копировании формулы из одной ячейки в другую автоматически изменяются адреса ячеек, входящих в состав формул. Такая адресация ячеек называется относительной. Но иногда необходимо не изменять адрес некоторой ячейки при копировании формулы. Такой адрес называется абсолютным и обозначается $A$1. Относительные ссылки автоматически корректируются при их копировании или протаскивании, а абсолютные ссылки – нет. В табличных процессорах имеется большое количество встроенных функций. Функции – заранее определенные формулы, которые выполняют вычисления по заданным величинам и в указанном порядке. Запись каждой функции состоит из трех элементов: знака равенства "="; названия функции; аргумента. Диаграмма – графическое представление числовых данных. Диаграммы создаются на основе данных из существующих листов. Сначала необходимо выделить область (или области, можно несмежные) данных, по которым будет строиться диаграмма. Выделяется все, что должно быть отражено в диаграмме. Если выделяется несколько диапазонов, то необходимо проследить за симметричностью выделенных областей. В случае использования нескольких диапазонов можно упростить процесс путем сбора требуемых данных (цифр и фактов) на отдельном листе, используя операции выделения, копирования и вставки. Для построения диаграммы используется Мастер диаграмм. После размещения диаграммы на рабочем листе щелчок мыши на границе области диаграммы выделяет ее маркерами. Это позволяет перемещать диаграмму и изменять ее размеры, чтобы добиться сбалансированности объектов диаграммы и тем самым улучшить ее восприятие. Если в момент построения диаграммы какие-либо ее параметры не были определены или возникла необходимость в их изменении, то это можно сделать в режиме редактирования диаграммы, вызываемого нажатием правой кнопки мыши в области объекта (вызов контекстного меню). Табличные процессоры предоставляют широкий спектр возможностей для обработки данных: фильтрация и поиск данных, подбор параметра и поиск решения, аппроксимация данных и т.д. Информационные системы (ИС) – системы, предназначенные для хранения информации в специальным образом организованной форме и обеспечивающие ее ввод и различные манипуляции с ней, включая поиск по некоторым признакам, подготовку сводок (отчетов) и т.д. Изначально такие системы существовали в письменном виде: картотеки, журналы, архивы, библиотеки, словари, телефонные справочники. В настоящее время примерами информационно-справочные и информационных систем являются информационно-поисковые системы; системы, обеспечивающие автоматизацию документооборота и учета (в том числе бухгалтерского); автоматизированные системы управления (АСУ); экспертные системы; системы автоматизации научных исследований и автоматизированного проектирования, геоинформационные системы; обучающие (информационно-обучающие) системы. Общей функцией для всех ИС являются сбор, накопление и хранение информации, ее обработка и выдача в той или иной форме. База данных (БД) – совокупность специальным образом организованных (структурированных) данных и связей между ними. Характеристиками БД могут выступать такие параметры, как полнота, правильная организация, актуальность, удобность в использовании. В зависимости от используемой модели данных выделяют иерархические, сетевые, реляционные БД. Система управления базами данных (СУБД) – специальный комплекс программ и языков, посредством которого организуется централизованное управление БД и обеспечивается доступ к ним. Функции СУБД:  ввод информации в БД и обеспечение ее логического контроля  возможность исправления информации  удаление устаревшей информации  контроль непротиворечивости данных  защита данных от разрушения  поиск информации с заданными свойствами  автоматическое упорядочивание информации в соответствии с определенными требованиями  обеспечение коллективного доступа к данным нескольких пользователей одновременно  защита от несанкционированного доступа к данным. СУБД по степени универсальности можно разделить на 2 группы: СУБД общего назначения и специализированные СУБД. По методам организации хранения и обработки данных СУБД классифицируют на централизованные и распределенные. Этапы работы с СУБД: 1) проектирование БД; 2) создание структуры БД; 3) заполнение БД; 4) просмотр и редактирование БД; 5) сортировка БД; 6) поиск необходимой записи; 7) выборка информации; 8) создание отчетов. В настоящее время существует немалое количество систем компьютерной математики (пакетов программ). Наиболее распространенные из них – это Mathcad, Matlab, Mathematika, Maple и др. Каждая из этих систем имеет свои достоинства и недостатки. Пакет Mathcad ("MathSoft Inc.", http://www.mathsoft.com/) – мощная интегрированная Отличительная система черта этой автоматизации системы – математических входной язык, расчетов. максимально приближенный к математическому языку или языку научных статей и книг. Система Mathcad содержит текстовый редактор, графопостроитель и графический процессор. Вычислитель обладает уникальными возможностями: - обеспечивает вычисления по сложным математическим формулам; - имеет большой набор встроенных математических функций; - позволяет вычислять ряды, суммы и произведения, определенные интегралы и производные; - работать с комплексными числами; - решать линейные и нелинейные уравнения; - выполнять векторные и матричные операции. Mathcad позволяет записывать на экране компьютера формулы в их привычном виде. С их помощью можно решить почти любую математическую задачу символьно либо численно. Можно реализовать текст в любых местах вокруг уравнений, чтобы документировать процесс решения. Графический процессор служит для создания графиков. Графика ориентирована на решение типичных математических задач. Можно создавать двумерные и трехмерные графики. Программа SCILAB Scilab – пакет прикладных математических программ для инженерных и научных расчётов. Программа доступна для различных операционных систем (Linux, Microsoft Windows, Mac OS X). Scilab имеет открытый исходный код, занимает малый объем на диске. Scilab содержит множество математических функций; можно добавить новые функции, написанные на различных языках программирования (C, C++, Fortran и т.д.). Также имеются разнообразные структуры данных (списки, полиномы, рациональные функции, линейные системы), интерпретатор и язык высокого уровня. В системе доступно множество инструментов: 2D и 3D графики, анимация; линейная алгебра; полиномиальные и рациональные функции; интерполяция и аппроксимация; Scicos (система моделирования динамических систем и симуляции); обработка сигналов; статистика и прочее. Scilab имеет схожий с MATLAB язык программирования. В состав пакета входит утилита, позволяющая конвертировать документы Matlab в Scilab. Для численных расчётов используются библиотеки Lapack, LINPACK, ODEPACK, Atlas и другие. Имеется возможность совместной работы Scilab с программой LabVIEW. Возможности Scilab могут быть расширены внешними программами и модулями, написанными на разных языках программирования. Пример 1. Построить график и найти решение уравнения cos(x) – 0,2*x = 0. Для решения трансцендентных уравнений в Scilab применяют функцию fsolve(x0, f), где х0 - начальное приближение, f – функция, описывающая левую часть уравнения y(x)=0. Рис. 1. Построение графика функции в системе Scilab Рис. 2. Нахождение корней уравнения в системе scilab Пример 2. Построить график функции и вывести на экран корни уравнения cos(x) – 0,2*x = 0 . Рис. 3. Нахождение корней уравнения в системе scilab Рис. 4. Нахождение и вывод корней уравнения в системе scilab 1 Пример 3. Вычислить определённый интеграл x  e dx 2 , разбив отрезок интегрирования на 5 и 20 частей (рис. 5). Рис. 5 .Вычисление определённого интеграла в системе Scilab По принципу формирования изображения на экране различают три вида компьютерной графики: растровую графику, векторную графику и фрактальную графику. Они отличаются принципами формирования изображения при отображении на экране монитора или при печати на бумаге. В растровой графике графическая информация – это совокупность данных о цвете каждого пикселя на экране. В растровой графике изображения рассматриваются как комбинации точек. Для каждой его точки отводится одна или несколько ячеек памяти (чем больше цветов могут иметь точки, тем больше ячеек им выделяется). Поэтому, чем длиннее растровая линия, тем больше памяти она занимает. Основным элементом растрового изображения является точка. Если изображение экранное, то эта точка называется пикселем. С размером изображения непосредственно связано его разрешение. Большие объемы файлов, содержащих растровое изображение – основной недостаток этого вида графики. Второй недостаток растровых изображений связан с искажением изображения при увеличении размера изображения (эффект пикселизации). В векторной графике изображение представляет собой совокупность простых элементов: прямых линий, дуг, окружностей, эллипсов, прямоугольников, закрасок и пр., которые называются графическими примитивами. В векторной графике графическая информация - это данные, однозначно определяющие все графические примитивы, составляющие рисунок. Положение и форма графических примитивов задаются в системе графических координат, связанных с экраном. Простейшие объекты объединяются в более сложные. Векторная графика не ухудшает качества изображения при масштабировании. Фрактальная графика основана на автоматической генерации изображений путем математических расчетов. Создание художественной фрактальной композиции состоит не в рисовании или оформлении, а в программировании. Фрактальная графика, как и векторная, - вычисляемая, но отличается от нее тем, что объекты в памяти компьютера не хранятся. Изображение строится по уравнению (или по системе уравнений), поэтому хранятся только формулы. Основные растровые форматы графических файлов: BMP , JPEG , TIFF, GIF, PNG Основные векторные форматы графических файлов: WMF , EPS , DXF, CGM , SVG. Формат PDF (Portable Document Format). Формат описания документов, разработанный фирмой Adobe (расширение имени файла .PDF). Формат предназначен для хранения документа целиком. Его возможности позволяют обеспечить эффективное представление изображений. Формат является аппаратно-независимым, вывод изображений допустим на любых устройствах. Формат PDF обеспечивает компактность файлов при высоком качестве иллюстраций. Контрольные вопросы обучающимся по материалам лекции 1. Что такое «программа»? 2. Перечислите виды программного обеспечения. 3. Приведите пример программы для работы с текстом. Опишите ее возможности и технологию работы с ней. 4. Приведите пример программы для работы с электронными таблицами. Опишите ее возможности и технологию работы с ней. 5. Приведите пример программы для работы с базами данных. Опишите ее возможности и технологию работы с ней. 6. Приведите пример программы для работы с графикой. Опишите ее возможности и технологию работы с ней.