- •1. ИНФОРМАЦИЯ, ЕЁ СВОЙСТВА, ИЗМЕРЕНИЕ, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ
- •1.1. Информатика – предмет и задачи
- •1.2. Информация, ее виды и свойства
- •1.3. Представление об информационном обществе
- •1.4. Кодирование информации
- •1.5. Практическое занятие № 1. Системы счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Арифметические операции в позиционных системах счисления
- •1.6. Кодирование текстовых и символьных данных
- •1.7. Кодирование графических данных
- •1.8. Кодирование звуковой информации
- •1.9. Структуры данных
- •1.10. Файлы и файловая структура
- •1.11. Измерение и представление информации
- •1.12. Теоремы Шеннона
- •1.13. Математические основы информатики
- •1.13.1. Алгебра высказываний (алгебра логики)
- •1.13.2. Элементы теории множеств
- •2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
- •2.1. История развития вычислительной техники
- •2.2. Классификация компьютеров по сферам применения
- •2.3. Базовая система элементов компьютерных систем
- •2.4. Функциональные узлы компьютерных систем
- •2.5. Архитектура ЭВМ
- •2.6. Совершенствование и развитие архитектуры ЭВМ
- •2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств
- •2.6.2. Открытая архитектура
- •2.6.3. Архитектура многопроцессорных вычислительных систем
- •2.7. Внутренняя структура ЭВМ
- •2.7.4. Внешние запоминающие устройства
- •2.8. Внешние устройства компьютера
- •2.8.1. Видеотерминалы
- •2.8.2. Устройства ручного ввода информации
- •2.8.3. Устройства печати
- •2.8.4. Устройства поддержки безбумажных технологий
- •2.8.5. Устройства обработки звуковой информации
- •2.8.6. Устройства для соединения компьютеров в сеть
- •3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ
- •3.1. Состав системного программного обеспечения
- •3.2. Операционные системы
- •3.3. Виды операционных систем и их базовые понятия
- •3.4. Процессы и потоки
- •3.5. Управление памятью
- •3.6 Организация ввода-вывода
- •3.7 Драйверы устройств
- •3.8 Файловые системы
- •3.9 Файловые системы Microsoft Windows
- •3.9.1. Файловая система FAT16
- •3.9.3. Файловая система NTFS
- •3.9.4. Сравнение файловых систем FAT16, FAT32 и NTFS
- •3.10 Операционная система Windows
- •3.11 Служебные программы
- •3.13 Прикладное программное обеспечение
- •3.13.1. ППО общего назначения
- •3.13.2. ППО специального назначения
- •3.17. Практическое занятие № 6. Табличный процессор Excel. Основные понятия и общие принципы работы с электронной таблицей. Создание и заполнение таблиц постоянными данными и формулами. Построение диаграмм и графиков
- •3.18. Практическое занятие № 7. Табличный процессор Excel. Сортировка и фильтрация (выборка) данных. Сводные таблицы, структурирование таблиц. Расчёты в Excel
- •4. БАЗЫ ДАННЫХ (БД) И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ (СУБД)
- •4.1. Базы данных в структуре информационных систем
- •4.2. Классификация баз данных и виды моделей данных
- •4.3. Нормализация отношений в реляционных базах данных
- •4.4. Проектирование баз данных
- •4.5. Этапы развития СУБД. Реляционная СУБД Microsoft Access – пример системы управления базами данных
- •4.6. Практическое занятие № 8. СУБД Access 97. Создание однотабличной базы данных. Отбор данных с помощью фильтра. Формирование запросов и отчётов для однотабличной базы данных
- •5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
- •5.1. Назначение и классификация компьютерных сетей
- •5.2. Режимы передачи данных в компьютерных сетях
- •5.3. Типы синхронизации данных при передаче и способы передачи информации
- •5.4. Аппаратные средства, применяемые при передаче данных
- •5.5. Архитектура и протоколы компьютерных сетей
- •5.6. Локальные вычислительные сети (ЛВС) и их топологии
- •5.7. Физическая передающая среда ЛВС и методы доступа к ней
- •5.8. Примеры сетей. Глобальная сеть Интернет
- •5.9. Службы сети Интернет
- •5.10. Поиск информации в Интернет
- •5.10.1. Поисковые машины
- •5.12. Основы и методы защиты информации
- •5.13. Политика безопасности в компьютерных сетях
- •5.14. Способы и средства нарушения конфиденциальности информации
- •5.15. Основы противодействия нарушению конфиденциальности информации
- •5.16. Криптографические методы защиты данных
- •5.17. Компьютерные вирусы и меры защиты информации от них
- •6. ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. МОДЕЛИ И ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
- •6.1. Алгоритм и его свойства
- •6.1.2. Графическое представление алгоритмов
- •6.2. Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач
- •6.2.1. Процедурное программирование
- •6.2.3. Функциональное программирование
- •6.2.4. Логическое программирование
- •6.2.5. Объектно-ориентированное программирование (ООП)
- •6.3. Методы и искусство программирования
- •6.4. Обзор языков программирования
- •6.5. Понятие о метаязыках описания языков программирования
- •6.6. Моделирование как метод решения прикладных задач
- •6.7. Основные понятия математического моделирования
- •6.8. Информационное моделирование
- •6.9. Практическое занятие № 11. Вычисления в среде Mathcad
- •6.10. Практическое занятие № 12. Вычисления в среде Matlab
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
2.ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
2.1.История развития вычислительной техники
Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называется вычислительной техникой. В это число устройств входит и компьютер – электронный прибор, предназначенный для автоматизации, создания, хранения, обработки и транспортировки данных.
Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные
исследователи в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство – абак. Абак представляет собой глиняную пластинку с желобами, в которых раскладывались камни, представлявшие числа. В России в XVI-XVII веках появилось намного более передовое изобретение – русские счеты.
В западной Европе около 1500 г. Леонардо да Винчи разработал эскиз 13- разрядного суммирующего устройства. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Паскаль . Его машина была восьмиразрядной, механической с ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания. В 1672 г. Лейбниц
построил механическую машину, которая могла выполнять все четыре арифметические действия. Впервые машину, работающую по программе, создал в 1834 г. английский ученый Бэббидж . Все эти машины были механические, содержали тысячи шестеренок, которые надо было изготовить с высокой точностью. Программу для машины Бэббиджа
записывали на перфокартах. Первым программистом для этой машины была дочь Байрона - Ада Ловлейс, в честь которой уже в наши дни был назван язык
программирования Ada.
Впервые автоматически действующие вычислительные машины появились в середине XX века. Это стало возможным благодаря использованию электромеханических реле. Так появились релейные машины, которые могли выполнять несколько десятков операций в секунду. Однако эти машины были быстро вытеснены электронными, гораздо более производительными и надежными.
Первой действующей ЭВМ стал ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer, США, 1946 г.). Руководили проектом американцы Моучли и Эккерт . Эта
машина содержала около 18 тыс. электроламп, множество электромеханических элементов и потребляла 150 кВт электроэнергии.
В СССР до 1970-х годов создание ЭВМ велось полностью самостоятельно. Первая
отечественная ЭВМ – МЭСМ (малая электронно-счетная машина) была создана в 1951 г. под руководством академика Лебедева . Одной из лучших в мире для своего времени
была БЭСМ-6, созданная в середине 60-х годов.
Различают несколько поколений электронных вычислительных машин на основе физико-технологического принципа: машину относят к тому или иному поколению в
зависимости от использования в ней физических элементов или технологии её изготовления (см. табл. 2.1).
В основе базовой системы элементов машин первого поколения лежали электронные лампы. Они определяли достоинства и недостатки цифровых устройств. Лампы были долговечны и достаточно надёжны. Однако они работали с напряжением в десятки вольт, расходовали много энергии, занимали большой объем. Для их охлаждения требовалось решить труд-
Леонардо да Винчи (1452 - 1519) – итальянский ученый и инженер.Блез Паскаль (1623 – 1662) – французский математик.
Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646 – 1716) – немецкий математик.
Чарльз Бэббидж (1792 - 1871) – английский математик.
Джорж Ноэл Гордон Байрон (1788 - 1824) – английский поэт.
Джон Уильям Моучли (1907 - 1980) и Джон Преспер Эккерт (1919 - 1995) – американские математики
и инженеры-изобретатели.
Сергей Александрович Лебедев (1902 – 1974) – советский математик.
|
|
|
|
|
|
Таблица 2.1 |
|
|
|
|
|
|
|
Показатель |
|
|
Поколения ЭВМ |
|
|
|
|
I |
II |
III |
|
IV |
V |
|
1945-1955 |
1955-1965 |
1965-1980 |
|
с 1980 |
|
Элементная |
Лампы |
Транзисторы |
Интегральные |
|
Сверхболь- |
Оптоэлектро- |
база |
|
|
схемы (ИС) и |
|
шие ИС |
ника и крио- |
|
|
|
большие ин- |
|
(СБИС) |
электроника |
|
|
|
тегральные |
|
|
|
|
|
|
схемы (БИС) |
|
|
|
Ёмкость |
102 |
103 |
105 |
|
107 |
108 |
ОЗУ (байт) |
|
|
|
|
|
|
Быстродейст- |
104 |
106 |
108 |
|
109 |
1012 |
вие (опер/с) |
|
|
|
|
|
|
Языки прог- |
Машинный |
Ассемблер |
Процедурные |
|
Процедурные |
Новые не- |
раммирования |
код |
|
языки высо- |
|
и непроцдур- |
процедурные |
|
|
|
кого уровня |
|
ные ЯВУ |
ЯВУ |
|
|
|
(ЯВУ) |
|
|
|
Средства свя- |
Пульт |
Перфокарты |
Алфавитно- |
|
Дисплей и |
Устройство |
зи с пользова- |
управ- |
и перфолен- |
цифровой |
|
клавиатура |
голосовой |
телем |
ления и пер- |
ты |
терминал и |
|
|
связи |
|
фокарты |
|
монохромный |
|
|
|
|
|
|
дисплей |
|
|
|
ные технологические задачи. ЭВМ первого, второго и третьего поколений сейчас в лучшем случае музейные экспонаты.
Приход полупроводниковой техники (транзистор изобретен в 1948 г.) резко изменил ситуацию. ЭВМ сильно уменьшились в размерах, стали меньше потреблять электроэнергии, их стоимость также снизилась, а быстродействие увеличилось. Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого назначения: International Business Machines (IBM), Control Date Corporation (CDC), Digital Equipment Corporation (DEC). Уже начиная со второго поколения электронно-вычислительные машины стали делиться на большие, средние и ма- лые по признакам размеров, стоимости и вычислительных возможностей.
Вначале 70-х годов ХХ века с появлением интегральных технологий в электронике были созданы микроэлектронные устройства, содержащие несколько десятков транзисторов
ирезисторов на одной небольшой кремниевой подложке. Без пайки на них “выращивались” электронные схемы, выполняющие функции основных логических узлов ЭВМ. Так появи- лись интегральные схемы (ИС), которые позволили резко уменьшить размеры полупровод- никовых схем и снизить потребляемую мощность. На их основе строились ЭВМ, которые выполнялись в виде одной стойки и периферийных устройств. В то же время радикально из- менились возможности программирования. Программы стали писаться на языках высокого уровня (ЯВУ).
В1971 г. компанией Intel было создано устройство, реализующее на одной крошечной микросхеме функции процессора. Появилась новая отрасль промышленности – микроэлек- троника, которая стала производить большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы. 1976 год стал началом эры массового появления персональных ЭВМ, первым пред-
ставителем которой стал Apple, созданный американцами Возняком и Джобсом . В 1981 г. IBM выпустила свои персональные компьютеры IBM PC XT и PC AT, которые были осна- щены операционной системой MS DOS, созданной фирмой Microsoft. С тех пор IBM PC ста- ла самой популярной “персоналкой” в мире.
Стивен Возняк (р. 1950) и Стивен Пол Джобс (р. 1955) – американские инженеры и предприниматели, основа- тели корпорации Apple.
60
К 1990 г. микроэлектроника подошла к пределу, разрешенному физическими закона- ми. В дальнейшем совершенствовании ЭВМ видны два пути. На физическом уровне это пе- реход к использованию иных физических принципов построения узлов ЭВМ – на основе оп- тоэлектроники и криогенной электроники, использующей сверхпроводящие материалы при низких температурах. Кроме того должна повыситься роль сетей ЭВМ, позволяющих разде- лить решение задачи между несколькими компьютерами. В дальнейшем сети будут домини- ровать.
2.2. Классификация компьютеров по сферам применения
Вопрос любой классификации всегда достаточно условен. Компьютеры классифици- руются по назначению, по уровню специализации, по типоразмерам, по совместимости, по типу используемого процессора. Наиболее часто используется такая характеристика компь- ютера как производительность, под которой понимается время, затрачиваемое компьютером на решение той или иной задачи. Схема классификации компьютеров, исходящая из их про-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
изводительности |
изображе- |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ЭВМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на на рис. 2.1. Эту схему |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
можно условно |
разбить |
на |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
три части: суперкомпьюте- |
|||||
|
Супер ЭВМ |
|
Большие ЭВМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
Мини - ЭВМ |
|
|
Микро - ЭВМ |
ры, мэйнфреймы (универ- |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сальные |
компьютеры) |
и |
|||
|
|
Мини - |
|
|
|
|
|
|
|
Многопользовательские |
|
|
|
микрокомпьютеры. |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
Супер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определить |
супер- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
компьютеры |
можно |
лишь |
|||
|
|
Мощные - |
|
|
|
|
|
|
|
Встроенные |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
относительно. Их произ- |
||||||||||||
|
|
Супер |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
водительность |
свыше |
100 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рабочие станции |
|
|
|
|
мегафлоп |
(1 |
|
мегафлоп – |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
миллион операций с пла- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вающей точкой в секунду). |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Персональные |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эти машины |
представляют |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Рис. 2.1. Классификация ЭВМ |
|
|
|
|
собой многопроцессорные и |
многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних уст- ройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end). Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейе- ризации вычислений. В этих машинах параллельно, т. е. одновременно, выполняются мно- жество похожих операций. Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.
Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифро- выми объектами – векторами и матрицами.
Суперкомпьютеры используют для решения больших и сложных научных задач: мо- делировании ядерных взрывав, гидрометеорологических процессов и т. п. Супер ЭВМ тре- буют особого температурного режима, водяного охлаждения (или даже охлаждения жидким азотом). Такие параметры как стоимость и вес не являются определяющими.
Мэйнфреймы (большие ЭВМ на рис. 2.1) предназначены для решения широкого клас- са научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами с производитель- ностью от 10 до 100 млн. операций в секунду. Их целесообразно применять в больших сис- темах при наличии не менее 200-300 рабочих мест. Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5-6 раз дешевле, чем распределенная обработка при кли- ент – серверном подходе. Эти машины также требуют специального помещения, жесткого температурного режима. Конструктивно выполняются в виде одной стойки. Их стоимость может достигать 300 тыс. долларов.
61
Мини – ЭВМ появились в начале 1970-х гг. Их традиционное использование – либо для управления технологическими процессами, либо в режиме разделения времени в качест- ве управляющей машины небольшой локальной сети. Сейчас компьютеры этого класса вы- мирают, уступая место микрокомпьютерам.
Микрокомпьютеры – это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора. Современные модели микрокомпьютеров имеют несколько микро- процессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и т. п. Самые популярные в настоящее время микрокомпьютеры – это персональные компьютеры. Это компьютеры универсального на- значения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком. С ними связано понятие мультимедиа. Мультимедиа – это сочетание нескольких видов данных в од- ном документе (текстовые, графические, музыкальные и видеоданные) или совокупность устройств для воспроизведения этого комплекса данных.
2.3. Базовая система элементов компьютерных систем
При построении функциональных узлов компьютерных систем используются элемен- ты, которые реализуют базовую систему логических функций ( , ,), условные обозначения
которых показаны на рис. 2.2. Мы уже знаем, что любую достаточно сложную логическую функцию можно реализовать, имея относительно простой набор базовых логических опера- ций. Первоначально этот тезис был технически реализован “один к одному”: были разрабо- таны и выпускались микросхемы, соответствующие основным логическим действиям. По- требитель, комбинируя имеющиеся в его распоряжении элементы, мог получить схему с реа- лизацией необходимой логики. Базовый логический элемент компьютера – это часть элек- тронной логической схемы, которая реализует элементарную логическую функцию. На
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рис. 2.2, кроме того, показаны зна- |
||||
|
|
1 |
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
чения выходного сигнала в зависи- |
|||||||
|
|
|
|
y=x1 |
x2 |
|
||||||||||||||||||
x2 |
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мости от входных сигналов. Ноль |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
изображается на |
диаграммах низ- |
||||||
|
|
|
а) элемент логическое ИЛИ |
|
ким значением сигнала, а едини- |
|||||||||||||||||||
x1 |
|
|
|
x1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ца – высоким. Таблицы истинности |
||||||
|
& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
этих |
трех логических |
элементов |
|||||||
|
|
|
|
y=x1 |
x2 |
|
||||||||||||||||||
x2 |
|
|
|
x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приведены в табл. 1.8 – 1.10. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
t |
|
Кроме приведенных исполь- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
б) элемент логическое И |
|
зуются еще несколько простейших |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
логических элементов: И-НЕ, ИЛИ- |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
x |
|
|
y=x |
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
НЕ |
и |
операция |
исключающего |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ИЛИ. Схема И-НЕ состоит из эле- |
||||
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
t |
мента И и инвертора (НЕ), реали- |
||||||||||||||
|
|
|
в) элемент логическое НЕ |
|
зующего |
операцию |
отрицания. |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
Связь между выходом y |
и входами |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Рис. 2.2. Условные обозначения основных логических элементов |
|
x1 и |
x2 |
схемы записывается сле- |
дующим образом: y = x1 x2 и читается “инверсия x1 и x2 ”. Условное обозначение схемы
И-НЕ представлено на рис. 2.3 а, а таблица истинности в табл. 2.2.
Аналогично схемы элементов ИЛИ-НЕ и исключающего ИЛИ показаны на рис. 2.3 б, в, а их таблицы истинности в табл. 2.3 и 2.4.
62