Логические основы автоматизированной обработки данных

Основная идея автоматизации вычислительного процесса со времен Ч. Бэббиджа заключается в разработке таких устройств, которые были бы способны производить вычисления без участия человека по заранее заданному алгоритму. Именно этим отличаются электронно-вычислительные машины от всех других известных вычислительных устройств, таких, как счеты, логарифмическая линейка, калькулятор, также предназначенных для упрощения процесса вычислений.

Важнейшим действующим "лицом" в автоматизации вычислительных процессов является программа, без которой любой компьютер будет не более чем "грудой железа". Что же это такое, программа?

Толковый словарь по информатике⁵⁴ так трактует понятие программы: "Программа (program, routine) – это упорядоченная последовательность команд, подлежащая обработке; последовательность предложений языка программирования, описывающих алгоритм решения задач". В этом определении курсивом выделены понятия, требующие дополнительного пояснения.

Понятия программы и алгоритма неразрывно связанны с понятием исполнителя алгоритма. В общем случае исполнителем называется человек, автоматическое устройство, робот …, умеющий или умеющее выполнять некоторый, вполне определенный набор действий. Предписание исполнителю, выданное на понятном ему языке и однозначно определяющее его действие, называется командой. Вся совокупность команд, которые известны исполнителю и которые он умеет выполнять, называется системой команд исполнителя. В частности, универсальным исполнителем является процессор, имеющий строго определенное конечное множество команд манипулирования с двоичными числами.

Слово "алгоритм", как считают многие, происходит от искажения имени великого математика IX века Муххамеда бен Муса аль-Хорезми, который впервые изложил «четыре действия арифметики» – правила арифметических действий над числами в позиционной десятичной системе счисления. Эти правила были пригодны и одинаковы для любых пар чисел. Трудно даже представить, что до этого люди не умели выполнять эти действия в том виде, как мы их понимаем сейчас. Эти правила и были впоследствии названы алгоритмами. «Алгоритм – это понятное и точное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на достижение указанной цели или на решение поставленной задачи»⁵⁵. Далее под этим термином мы будем понимать алгоритм применительно к вычислительной машине, то есть к компьютеру, как к исполнителю.

Формализованная запись алгоритма на специальном языке - языке программирования, называется программой. Программа, реализующая алгоритм решения задачи, однажды написанная, может многократно использоваться разными пользователями для решения однотипных задач.

Совокупность программ обработки данных в определенной предметной области и необходимая для их эксплуатации документация называется программным обеспечением (ПО).

По сфере использования выделяют три класса: системное, инструментальное и прикладное программное обеспечение.

Системное ПО предназначено:

• для управления всей совокупностью технических средств вычислительного комплекса, их диагностики и профилактики, эффективного использования и выполнения различными вспомогательными процессами (хранение, копирование, защиту, восстановление, архивирование, защиту от вирусов);

• организации диалога с пользователем;

• запуска прикладных и инструментальных программ;

• осуществления обмена данными между различными приложениями.

Данный класс ПО тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью. В целом он ориентирован на квалифицированного пользователя – системного программиста, администратора сети, оператора. Однако знание базовых понятий и навыков работы с этим классом ПО является необходимым для любого пользователя компьютера. К этому классу ПО предъявляются очень высокие требования по надежности работы, эффективности использования.

Основу системного программного обеспечения составляет комплекс программных средств, называемый операционной системой. Windows, Net Ware, Unix, Linux – вот далеко не полный перечень се­мейств наиболее известных операционных систем.

Инструментальное ПО включает средства для создания приложений. Это – языки и системы программирования, средства автомати­зации процессов разработки, тестирования, отладки⁵⁶ программ. Широко известны языки программирования Basic, Fortran, С, Pascal, ...

Прикладное ПО предназначено для решения задач обработки данных в конкретной прикладной области деятельности человека. Именно этот класс программных средств обеспечивает реализацию вычислительных процессов, представляющих интерес для пользователя. Прикладное ПО является наиболее широким классом из всей совокупности программных средств. Системное и инструментальное ПО выполняют лишь обеспечивающие функции разработки программ и функционирования компьютера как устройства автоматизированной обработки данных.

Информационные процессы накопления и хранения данных

Что имеем – не храним; потерявши – плачем.

Козьма Прутков

Физические основы накопления и хранения данных

На протяжении всей своей истории человечество прикладывало значительные усилия по разработке и производству средств накопления и длительного хранения данных. Однако разнообразие этих средств невелико: книги, фотографии и киноленты, звукозапись. Спектр технических средств значительно пополнился в XX веке в связи с переходом к цифровым технологиям хранения данных. Сегодня используются самые разнообразные технические средства: гибкие магнитные диски (дискеты), магнитные ленты, разнообразные жесткие диски, оптические компакт-диски, электронные флэш-карты. Аппаратные средства, предназначенные для длительного хранения данных в электронном виде, называются внешними запоминающими устройствами (ВЗУ).

Наиболее распространенными устройствами являются магнитные дисковые накопители. В качестве запоминающей среды в ВЗУ используются магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два различимых магнитных состояния, каждому из которых ставится в соответствие двоичная цифра: 0 или 1. Запись и считывание данных осуществляется магнитными головками. К основным характеристикам ВЗУ относятся их емкость, выражаемая в единицах измерения количества информации, и скорость ее считывания/записи⁵⁷.

Гибкий магнитный накопитель, или дискета (FD – Floppy Disk), представляет собой плоский диск из специальной пленки, обладающей достаточной прочностью и стабильностью размеров, покрытый ферромагнитным слоем и помещенный в защитный конверт. Защитный кожух содержит ряд отверстий, через которые головки считывания-записи контактируют с магнитной поверхностью. Для выполнения операций с дискетой она помещается в специальное устройство – дисковод, называемый приводом гибких дисков (FDD DRIVE).

Привод гибких дисков представляет собой сочетание механизма считывания-записи с соответствующей электронной схемой управления. Конструктивной особенностью привода является то, что диск приводится во вращение только при поступлении команды на чтение или запись. Кроме того, головка чтения записи во время работы механически контактирует с поверхностью носителя.

Накопители на жестких магнитных дисках (HDD, Hard Disk Drive, получившие название "винчестеры") представляют собой целостную конструкцию из нескольких алюминиевых или керамических пластин (дисков) с ферромагнитным слоем и механизма считывания-записи данных. Для записи данных используются обе поверхности каждой из пластин, что обеспечивается группой магнитных головок. Пакет дисков, пока компьютер включен, непрерывно вращается со скоростью до 10000 оборотов в минуту и более. При этом головки чтения записи не касаются поверхности дисков, а плавают над поверхностью на расстоянии 0,1-0,5 микрона. Емкости современных жестких дисков составляют от десятков до сотен гигабайт. Сегодня это одни из самых емких и высокоскоростных устройств внешней памяти.

Для хранения больших объемов данных, обеспечения высокой степени надежности, достоверности и безопасности жесткие диски объединяются в более сложные системы, называемые дисковыми массивами RAID⁵⁸.

Последние годы широкое распространение получили оптические диски, называемые еще лазерными, так как запись данных на них и считывание осуществляется с помощью лазерного луча, генерируемого специальным устройством – приводом компакт-дисков. Ярким представителем семейства этих устройств являются компакт-диски, которые впервые стали использоваться для аудиозаписи.

Высокая потребительская ценность оптических дисков заключается в их низкой стоимости, большой емкости, высокой степени надежности хранения данных⁵⁹.

Еще одним очень перспективным способом хранения данных в электронном виде является использование электронных микросхем памяти, называемых флэш-памятью. Они отличаются очень высокой скоростью работы и надежностью хранения данных. Способ подключения этих устройств к работающему компьютеру без выключения последнего (через порт USB) делает эти устройства незаменимыми для промежуточного хранения данных, переноса их с одного компьютера на другой.