2.2. Конспекты лекционных занятий

Лекция №1. Введение в информатику

Опр. Данные – зарегистрированные сигналы.Информация — сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информационные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы.  Информация можетсоздаваться, передаваться, храниться и обрабатываться.

Правило: Информация передается в виде сигналов.Информация храниться в видекодов. Перед сохранением она должна быть закодирована. Информация бываетаналоговой и цифровой.

Операции с информацией:

• Сбор данных;

• Формализация данных;

• Фильтрация данных;

• Сортировка данных;

• Архивация данных;

• Транспортировка данных.

Структуры данных можно подразделить на следующие виды:

• Линейная;

• Табличная;

• Иерархическая.

Опр. Инфоpматика — это основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности.  

Опр. Аппаратное обеспечение – комплекс технических средств, образующих аппаратную конфигурацию. Программное обеспечение — это совокупность всех программ, используемых компьютерами, а также вся область деятельности по их созданию и применению.  

Правило: Цифровая информация хранится в виде числового кода, который называется двоичным

Опр. Наименьшая единица представления информации – бит (англ.bit—binary,digit— двоичная цифра). У него может быть только два значения (Да/Нет или 0/1).

Для значения байта важно не только, сколько битов у него включено, но их местоположение, то есть позиция. Бит, занимающий крайнюю правую позицию, называетсямладшим. Бит, занимающий крайнюю левую позицию, называетсястаршим. Все прочие биты-промежуточные.

Средства вычислительной техники обрабатывают информацию в виде байтов.

Опр.Байт – это группа из 8 битов. Байт принимает значения от 0 до 255.

Правило: Наименьшей единицейпредставленияинформации являетсябит. Наименьшей единицей обработки или передачи информации являетсябайт. Наименьшей единицейхранения информации являетсяфайл.

По имени файлаПК определяет, где файл находится, какая информация в нем содержится, в каком формате она записана и какими программами ее можно обработать.

Широко используются также ещё более крупные производные единицы информации:

• 1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210> байт,

• 1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220> байт,

• 1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230> байт.

В последнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

• 1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240> байт,

• 1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250> байт.

Опр. Файл-это наименьшая единица хранения информации, содержащая последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.Файловая структура– это иерархическая структура, с помощью которой организуется хранение файлов.

Каждый файл на диске имеет свой адрес.Для удобства работы с файлами создаютсякаталоги.

Опр. Единица измерения размера адресуемого пространства называетсякластером.

Системы счисления. Операции над двоичными кодами

Опр. Система счисления —сово­купность правил наименования и изображения чисел с помощью набора символов, называемых цифрами. Системы счисления де­лятся напозиционныеинепозиционные.

555,5₁₀=5-10²+5-10¹+5-10⁰+5-10^-1;

11,01₂=1*2¹+1*2⁰+1*2^-1+1*2^-2

Сложение в двоичной системе счисления.После этих пред­варительных рассуждений запишем правило выполнения в двоичной системе счисления арифметического сложения одно­разрядных чисел:

0+0=0; 1+0=1; 0+1=1; 1+1=10.

Следовательно, используя известное запоминание в уме при переносе переполнения в старший разряд, получаем: 11101010011,111 +1111100101,011+101100111001,010

Вычитание в двоичной системе счисления.Исходя из того, что вычитание есть действие, обратное сложению, запишем правило арифметического вычитания одноразрядных чисел в двоичной системе счисления:

0-0=0; 1-0=1; 1-1=0; 10-1=1.

Умножение в двоичной системе счисления.Правила умноже­ния одноразрядных двоичных чисел наиболее очевидны:

0.0=0; 1-0=0; 0-1=0; 1-1=1.

В таком случае, записывая столбиком, процесс умножения двух много разрядных двоичных чисел, получим следующий результат:

1011,01

^х101,11

101101

101101

101101

101101

1000000,1011

Заметим, что при решении этого примера понадобилось в каж­дом разряде найти сумму четырех одноразрядных двоичных чисел. При этом мы учли, что в двоичной системе счисления

1 +1 +1 =10+1 = 11;

1+141+1=11+1 =100.

Деление в двоичной системе счисления осуществляется так же, как и в десятичной, с использованием умножения и вычитания:

Перевод числа из десятичной системы счисления в двоичную систему.

Пусть требуется найти представление числа 12₁₀в двоичной системе счисления. Для этого: делим, начиная с 12, каждое получающееся частное на основание системы, в которую перево­дим число, то есть на 2. Затем, начиная с последне­го частного (в нашем случае оно всегда будет равно 1), записывае­мого в старший разряд формируемого двоичного представления, фиксируем все остатки. В итоге получаем ответ: 12₁₀== 11002.

Перевод числа из двоичной системы счисления в десятичную систему.

Это перевод — как бы обратный к изложенному выше. Его наибо­лее просто осуществить, основываясь на позиционности двоичной системы счисления. Сделав такую запись, надо подсчитать де­сятичное значение полученной суммы:

1000001001,1012 = (1 • 2⁹+ 0 • 2⁸+ 0 • 2⁷+ 0 • 2⁶+ 0 • 2⁵+ +0•2⁴+1•2³+0•2²+0•2¹+1•2⁰+1•2-¹4-0•2-²+1.2-^з)₁₀= (512 + 8 + 1 + 1.2+ 1/8)₁₀= (521 + 5/8)₁₀= (521,625)₁₀.

Заметим, что, несмотря на длину исходной двоичной записи, степени числа 2 легко подсчитываются без калькулятора, которого может не оказаться под рукой. Действительно, известно, что 2⁵= == 32; 2⁸= 256; 2¹⁰= 1024.

Правило: Однимбайтомвыражаются целые числа от0 до 255, однимсловомвыражаются числа от 0 до 65535 (64 Кбайт), а двойным словом – числа от 0 до 4294967295( 4 Гбайт). Для работы сотрицальными числами процессор используетдвоичную дополнительную арифметику.Двоичная дополнительная арифметика позволяет процессору работать с отрицательными числами точно также, как и с положительными.

Правило:Для работы сдействительными числами математический сопроцессор.

• Сначала действительные числа нормализируются.

• Число представляется в виде двух чисел. Первая часть называется мантиссой,а вторая-характеристикой.

В двоичной дополнительной арифметике байт выражает числа от -128 до +127, включая 0, то есть 256 различных чисел. Признаком отрицательного числа является включенный старший бит. Если число 16 –разрядное, то оно состоит из 2 –х байтов, и в нем тоже один байт отдан на знак – это самый старший бит старшего байта.

Кодирование текстовой информации байтами

Одним кодом можно закодировать 2 значения Да или Нет. Двумя битами можно закодировать 4 значения : 00, 01, 10, 11.

Биты	1	2	3	4	5	6	7	8
Количество кодируемых значений	2	4	8	16	32	64	128	256

Стандарт устанавливает таблицу, в которой записано, каким кодом должен кодироваться каждый символ. Такая таблица называется таблицей кодов. В таблице должно быть 256 строк. Таблицу кодов разделили пополам. Первые 128 кодов должны бытьстандартными и обязательными для всех стран и компьютеров, а во второй половине каждая страна может свой стандарт –национальный.Первую (международную ) половину таблицы кодовназывают таблицей ASCII .

Литература: 1 осн. [1-56] , 2 осн. [2-46]

Контрольные вопросы:

1. Что такое информация?

2. Приведите примеры формальных языков. Как определяется процесс кодирования информации и почему в нем существует необходимость?

3. Какие единицы измерения количества информации вы знаете?

4. Почему 1 Кбайт = 1024 байта, а не 1000?

5. Почему двоичное представление информации входит в число основ­ных принципов работы современных ЭВМ?

6. Что такое система счисления?

7. Какие существуют системы счисления

Лекция № 2. Аппаратные средства компьютеров

Компьютер. Понятие архитектуры. Структура компьютеров.

Опр. Компьютер —это универсальное (многофункциональное) электронное автоматическое устройство, предназначенное для на­копления, обработки и передачи информации. Основные блоки компьютера:процессор, память, периферийные устройства. Под архитектурой компьютерапонимается его логическая организация, структура, ресурсы, то есть средства вычислительной системы, которые могут быть выделены процессу обработки дан­ных на определенный интервал времени. В основу архитектуры со­временных персональных компьютеров положенмагистрально модульный принцип(рис.1).

Опр. Магистраль(системная шина) — это набор электронных ли­ний, связывающих центральный процессор, основную память и пе­риферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодарямодульному принципу построения потребитель сам может комплектовать ком­пьютер нужной ему конфигурации и производить при необходи­мости ее модернизацию.

	Системный блок Процессор Оперативная память
М а г и с т р а л ь
Периферийные (внешние) устройства НГМД НЖМД Дисплей Клавиатура Принтер Мышь Сканер

Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информации. Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, или наоборот, от устройства к процессо­ру, то есть шина данных является двунаправленной. Дополнительные платы называют дочерними, а системную плату —материнской.

Функциональные устройства, выполненные на дочерних пла­тах, часто называют контроллерамиилиадаптерами,а сами дочерние платы —платами расширения.Таким образом, подклю­чение отдельных модулей компьютера к магистрали, находящейся непосредственно на материнской плате, на физическом уровне осуществляется с помощьюконтроллеров, а на программном обеспечиваетсядрайверами. Контроллер принимает сигнал от процессора и дешифрует его, чтобы соответ­ствующее устройство смогло принять этот сигнал и правильно от­реагировать на него. За его выполнение процессор не отвечает, отвечает лишь соответствующий контроллер, поэтому периферий­ные устройства компьютера заменяемы и набор таких модулей произволен.

Обмен информацией между отдельными устройствами компь­ютера производится по образующим магистраль трем многораз­рядным шинам(многопроводным линиям связи), соединяющим все модули —шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядностьшины определяется количеством битов шины передачи данных:

• запись/чтение данных из оперативной памяти (оперативное запо­минающее устройство — ОЗУ);

• запись/чтение данных из внешних запоминающих устройств (ВЗУ);

• чтение данных с устройств ввода;

• пересылка данных на устройства вывода.

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, формируя код адреса данного устройства, а для ОЗУ — код адреса ячейки памяти. Код адреса передаетсяпо адресной шине,причем сигналы по ней передаются в одном направлении — от процессора к устройствам (однонаправленная шина).

По шине управленияпередаются сигналы, определяющие ха­рактер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизи­рующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Опр. Процессор компьютера. Основные характеристики (разрядность, адресное пространство и др.). Процессор — это центральное устройство компьютера. Он вы­полняет находящиеся в оперативной памяти команды программы и «общается» с внешними устройствами благодаря шинам адреса, данных и управления, выведенными на специальные контакты корпуса микросхемы. Процессор вызывает данные с диска в оперативную память, забирает их к себе, обрабатывает, а потом опять отправляет в оперативную память и сохраняет в виде файлов на жестком диске.

К обязательным компонентам процессораотносятся арифме­тико-логическое (исполнительное) устройство (АЛУ) и устройство управления (УУ). Выполнение процессором команды предусмат­ривает: арифметические действия, логические операции, передачу управления (условную и безусловную), перемещение данных из одного места памяти в другое и координацию взаимодействия различных устройств ЭВМ. Выделяютчетыре этапа обработки командыпроцессором: выборка, декодирование, выполнение и за­пись результата. В ряде случаев, пока первая команда выполняет­ся, вторая может декодироваться, а третья выбираться.

У компьютеров четвертого поколения функции центрального процессора выполняет микропроцессор(МП) — сверхбольшая интегральная схема (СБИС), реализованная в едином полупровод­никовом кристалле (кремния или германия) площадью меньше 0,1 см².

• Микропроцессоры различаются рядом важных характеристик:

• разрядностью;

• интерфейсом с системной шиной;

• адресным пространством (адресацией памяти).

Разрядность процессора.Это число одновременно обраба­тываемых процессором битов, то есть количество внутренних битовых (двоичных) разрядов — важнейший фактор производи­тельности МП. Процессор может быть 8-, 16-, 32- и 64-разрядным. Вместе с быстродействием разрядность характеризуетобъем информации, перерабатываемый процессором компьютера за еди­ницу времени.

Адресное пространство (адресация памяти).Одна из функ­ций процессора состоит в перемещении данных, в организации их обмена с внешними устройствами и оперативной памятью. При этом процессор формирует код устройства, а для ОЗУ — адрес ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине. Объем физически адресуемой микропроцессором оперативной памяти на­зывается егоадресным пространством.Он определяется раз­рядностью внешней шины адреса.

Периферийные устройства. Принципы хранения информации.

Периферийные устройства. Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры — устройства управления периферийными устройствами.

Клавиатура служит для ввода информации в компьютер и подачи управляющих сигналов. Она содержит стандартный набор алфавитно-цифровых клавиш и некоторые дополнительные клавиши — управляющие и функциональные, клавиши управления курсором, а также малую цифровую клавиатуру.  

Курсор — светящийся символ на экране монитора, указывающий позицию, на которой будет отображаться следующий вводимый с клавиатуры знак.

Монитор — устройство визуального отображения информации (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей и др.).  

Принтер — печатающее устройство. Осуществляет вывод из компьютера закодированной информации в виде печатных копий текста или графики.  

Основных видов принтеров три: матричные, лазерные и струйные.

Порт— это разъём, через который можно соединить процессор компьютера с внешним устройством.

Плоттер (графопостроитель) — устройство, которое чертит графики, рисунки или диаграммы под управлением компьютера.

Плоттеры используются для получения сложных конструкторских чертежей, архитектурных планов, географических и метеорологических карт, деловых схем. Плоттеры рисуют изображения с помощью пера.

Сканер — устройство для ввода в компьютер графических изображений. Создает оцифрованное изображение документа и помещает его в память компьютера.  

Модем — устройство для передачи компьютерных данных на большие расстояния по телефонным линиям связи.  Модем обеспечивает преобразование цифровых сигналов компьютера в переменный ток частоты звукового диапазона — этот процесс называетсямодуляцией,а также обратное преобразование, которое называетсядемодуляцией.

Манипуляторы (мышь, джойстик и др.) — это специальные устройства, которые используются для управления курсором.

Мышь имеет вид небольшой коробки, полностью умещающейся на ладони. Мышь связана с компьютером кабелем через специальный блок— адаптер,и её движения преобразуются в соответствующие перемещения курсора по экрану дисплея.

Джойстик— это стержень-ручка, отклонение ее от вертикального положения приводит к передвижению курсора в соответствующем направлении по экрану монитора.

Трекбол — небольшая коробка с шариком, встроенным в верхнюю часть корпуса. В отличие от мыши, трекбол не требует свободного пространства около компьютера, его можно встроить в корпус машины.

Принципы хранения информации.

Правило:Память компьютера подразделяется наосновную и внешнюю. В современных компьютерах устройствавнешней памятипо­зволяют сохранять информацию после выключения компьютера, так как в них используется магнитный или оптический способ записи/чтения информации. В качестве носителей информации в этих случаях применяют магнитные и оптические диски.

Основная память, называемая иногдавнутренней,располагается внутри системного блока. Она является обязательной составной частью любого компьютера, реализуется в виде электронных микросхем и в персональных компьютерах располагается на материнской плате. Основная память состоит изпостоянной и оперативной памяти.

Постоянная память,или постоянное запоминающее устройст­во — ПЗУ (Readonlymemory-ROM), — память только для чте­ния. Она реализована, как уже говорилось, в виде электронных схем и служит для хранения программ начальной загрузки компь­ютера и тестирования его узлов.

Оперативная память,или оперативное запоминающее устрой­ство (ОЗУ), предназначена для хранения информации, изменяю­щейся в ходе выполнения процессором операций по ее обработке. Информацию в такую память можно записать для хранения, изме­нять или использовать при необходимости.

Правило: Вся информация, вво­димая в компьютер и возникающая в ходе его работы, хранится в этой памяти, но только тогда, когда компьютер включен.

Структурно оперативную память можно представить как совокупность ячеек памяти,разделенных на разряды для хра­нения в каждом из них бита информации. Следовательно, в любую ячейку памяти записывается некоторый набор нулей и единиц, илимашинное слово —фиксированная, упорядоченная последователь­ность битов, рассматриваемая аппаратной частью компьютера как целое.

Объем памяти компьютераизмеряют в килобайтах, мегабайтах, гигабайтах соответствии с количеством байтовых ячеек какдискретных структурныхединиц памяти.

В оперативной памятив виде последовательности машинных словхранятсякакданные,так ипрограммы.В любой момент вре­мени доступ может осуществляться к произвольно выбранной ячейке, поэтому этот вид памяти называют такжепамятью с про­извольной выборкой —RAM(RandomAccessMemory).

Хранение информации и ее носители. Внешняя память компьютера.

Возросшие к концу XX века потоки информа­ции необходимость сохранения ее в больших объемах и появле­ние ЭВМ способствовали разработке и применению носителей информации, обеспечивающих возможность ее долговременного хранения в более компактной форме.К таким носителям при использовании современных моделей компьютеров четвертого поколения относятсягибкиеижесткие магнитные дискии так на­зываемыедиски СD-RОМ,составляющие внешнюю память компь­ютера.

Устройства, которые обеспечивают записьинформации на носители, а также еепоиск, считывание и воспроизведение в опе­ративную память,называютнакопителями.В основу записи, хра­нения и считывания информации положены два принципа —магнитный и оптический,что обеспечивает сохранение информа­ции и после выключения компьютера.

Магнитные диски (МД) бывают гибкие и жесткие. ГибкийМД (ГМД) диаметром 5,25 дюйма (133 мм) в настоящее время может хранить до 1,2 Мбайта информации.

Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т.е.должна быть созданаструктура диска.Для ГМД — это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные магнитными метками, а у жестких МД — еще и ци­линдры — совокупность дорожек, расположенных друг над другом всех рабочих поверхностях дисков.

CD-RОМ (Сотрасt Disc Rеаd Оп1у Метоry) обладает емкостью до 3 Гбайт, высокой надежностью хранения информации, долго­вечностью (прогнозируемый срок его службы при качественном исполнении составляет 30-50 лет). Диаметр диска может быть как 5,25, так и 3,5 дюйма. Принцип записи и считыванияоптический.

Магнитооптические дискилишены этих недостатков, так как учтены достижения магнитной и оптической технологий. На магнитооптические диски можно записывать информацию и быстро считывать ее. Они сохраняют все преимущества ГМД (перено­симость, возможность отдельного хранения, увеличение памяти компьютера) при огромной информационной емкости.

Опр. Оперативная память состоит из ячеек. У каждой ячейки есть свойадрес.

Когда компьютер отправляет данные на хранение в оперативную память, он запоминает адреса, в которые эти данные помещены. Обращаясь к адресной ячейке, компьютер находит в ней байт данных.

Правило: Процессор тоже состоит из ячеек, но у них другое назначение. В ячейках процессора данные не хранятся, а обрабатываются. Ячейки процессора называютрегистрами.

Существуют различные типы регистров: регистры общего назначения, адресные регистры, флаговые регистры.

Литература: 1 осн. [5-27], 2 осн. [6-120 ] , 8 доп. [10-130 ]

Контрольные вопросы:

1. Что называют архитектурой компьютера?

2. В чем смысл модульного принципа организации современной ЭВМ?

3. Что такое магистраль?

4. Какова функция процессора при работе компьютера?

5. Какие основные блоки входят в состав компьютера?

6. Какие периферийные устройства относятся к устройствам ввода и вывода?

7. Основные принципы хранения информации? Где хранятся информация?

Лекция №3. Программные средства компьютеров