From Class_1 / лекции / Лекция 1

Лекция №1

Информация и информатика. Устройство компьютера

Деятельность людей зависит от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информацию. Однако прежде, чем предпринять какие-либо действия, необходимо провести работу по сбору и переработке информации. Принятие решений в любой сфере связано с хранением и обработкой больших объемов данных. Это приводит к необходимости использования в инженерных работах технических средств.

Термин «информация» происходит от латинского informatio – разъяснение, осведомление, изложение. Информация есть отражение реального объекта или сведения об объекте, его параметрах, свойствах и состоянии.

Существуют различные способы представления информации. Человек может воспринимать информацию при помощи органов чувств: зрения, слуха, обоняния, осязания, кроме того, он может воспринимать вкусовые ощущения. При работе с вычислительной техникой не требуется всего многообразия представления информации. Обычно, пользователь, работающий с компьютером, воспринимает только зрительную и иногда слуховую информацию.

Зрительная информация также очень многообразна. Она может быть представлена в виде текста, набора специальных символов, набора цифр, графика или просто изображения. Обратимся теперь к числовой информации. В рамках данного курса интерес будет представлять информация, представленная в виде чисел в двоичной и десятичной системе.

Очевидно, что десятичная система счисления представляет интерес, так как это система, в которой такого рода информация представляется в повседневной жизни.

Двоичная же система счисления в рамках данного курса является доминирующей, так как при работе с компьютером информация может быть представлена только в виде электрических импульсов высокого и низкого уровня. Для облегчения представления такого рода информации используется двоичная система счисления, где основанием являются две цифры 0 и 1.

Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных V.

Объем данных измеряется количеством символов (разрядов) в сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных. Так, например,

- в двоичной системе счисления единица измерения – бит (binary digit – двоичный разряд);

- в десятичной системе счисления единица измерения – дит (десятичный разряд).

При работе с компьютером единицей измерения информации является бит, а также часто используется укрупненная единица измерения «байт», равная 8 бит, и производные от нее Кбайт, Мбайт, Гбайт.

Количество информации определяет изменение степени неосведомленности получателя информации. Этот параметр не будет рассматриваться в дальнейшем.

Термин «информатика» возник в 60-х гг. ХХ века во Франции для обозначения области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью ЭВМ, это слово informatigue образовано путем слияния слов information (информация) и automatigue (автоматика). Дословный перевод термина informatigue обозначает информационную автоматику или автоматизированную работу с информацией. В англоязычных странах этому термину соответствует термин computer science (наука о вычислительной технике).

Существует несколько определений информатики как то:

Информатика – это совокупность дисциплин, изучающих свойства информации, а также способы представления, накопления, обработки и передачи информации с помощью технических средств.

Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения.

Общим во всех определениях является понятие хранения, обработки и передачи информации а также ее свойств.

Информатику в широком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей – технических (аппаратных) средств (hardware), программных средств (software) и алгоритмических средств (brainware).

Рассмотрим аппаратные средства. Для этого обратим внимание на состав и назначение основных блоков компьютера.

На рисунке 1 представлена структурная схема персонального компьютера (ПК). Рассмотрим подробнее ее составляющие.

Микропроцессор (МП). Это центральный блок ПК, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

В состав микропроцессора входят:

- устройство управления (УУ), предназначенное для формирования и подачи во все блоки машины в нужный момент времени управляющих импульсов;

- арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет все арифметические и логические операции (в некоторых моделях ПК к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор для ускорения выполнения операций);

- микропроцессорная память (МПП) – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия ПК. Регистры – быстродействующие ячейки памяти различной длины.

- интерфейсная система микропроцессора – реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК. Интерфейс – совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие.

Генератор тактовых импульсов генерирует последовательность электрических импульсов, частота импульсов определяет тактовую частоту машины. Частота генератора тактовых импульсов является одной из основных характеристик персонального компьютера и во многом определяет скорость его работы, так как каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Системная шина является основной интерфейсной системой компьютера, обеспечивающей сопряжение и связь всех его устройств между собой. Системная шина включает в себя: кодовую шину адреса, кодовую шину данных, кодовую шину инструкций и шину питания.

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида запоминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации, позволяет оперативно только считывать хранящуюся в нем информацию (изменить ПЗУ нельзя).

ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени.

Источник питания – блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Остальные элементы, указанные на схеме относятся к внешним устройствам (ВУ). ВУ ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ПК. ВУ весьма разнообразны, рассмотрим некоторые из них:

- внешние запоминающие устройства (ВЗУ) или внешняя память;

- диалоговые средства пользователя;

- устройства ввода информации;

- устройства вывода информации;

- средства связи;

Внешняя память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации. В частности, во внешней памяти хранится все программное обеспечение компьютера. Внешняя память содержит разнообразные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенными являются накопители на жестких (НЖМД) и гибких (НГМД) магнитных дисках.

В качестве устройств внешней памяти используются также запоминающие устройства на кассетной магнитной ленте (стриммеры), накопители на оптических дисках (CD-ROM – Compact Disk Read Only Memory – компакт диск только читаемой памятью, CD-RW) и др.

Диалоговые средства включают в свой состав множество различных объектов. Наиболее интересным для настоящего курса среди них является видеомонитор или дисплей – устройство для отображения вводимой или выводимой из ПК информации на экране.

К устройствам ввода информации относятся:

Клавиатура – устройство для ручного ввода числовой и текстовой и управляющей информации в ПК. На клавишах нанесены буквы русского и латинского алфавитов, десятичные цифры, математические, графические и специальные служебные знаки, знаки препинания, наименования некоторых команд, функций и т.д. чаще всего, клавиатура содержит 101 клавишу, но встречаются еще и старые клавиатуры с 84 клавишами и новые, удобные для использования в системе Windows клавиатуры со 104 клавишами.

Буквенно-цифровые клавиши занимают центральную часть клавиатуры. Для них существует понятие регистра. Имеются две пары регистров: верхний/нижний и латинский/русский. Выбор режима верхний/нижний осуществляется при помощи клавиши Caps Lock и Shift. Переключение клавиатуры в режим ввода русских букв или обратный переход к латинским осуществляется путем одновременного нажатия какого-либо сочетания клавиш Ctrl, Shift и Alt.

Клавиши управления курсором расположены в правой части панели клавиатуры. Для удобства работы они продублированы. Курсором называется символ (узкий мерцающий прямоугольник), указывающий позицию на экране дисплея, в которой будет отображаться следующий выведенный на экран символ.

Клавиши малой цифровой клавиатуры могут быть использованы в двух режимах:

- в режиме управления курсором,

- в режиме ввода цифр, знаков математических операций и точки.

Для переключения режимов используется клавиша NumLock.

Специальные управляющие клавиши (служебные клавиши) расположены вокруг группы алфавитно-цифровых клавиш. Функциональные клавиши F1-F12 размещены в верхней части клавиатуры;

Сканеры – для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков.

Манипуляторы (устройства указания): джойстик – рычаг, мышь, световое перо – для ввода графической информации путем управления движением курсора.

К устройствам вывода информации относятся:

Принтеры – печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель. Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры различаются по многим признакам. Среди них особо стоит отметить:

- цветность (цветные и черно-белые),

- способ формирования символа (знакопечатающие и знакосинтезирующие),

- принцип действия (матричные, струйные, лазерные),

- способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные),

- ширина каретки,

- длина печатной строки,

- набор символов,

- скорость печати,

- разрешающая способность (dpi – dots per inch – количество точек на дюйм);

Графопостроители (плоттеры) – для вывода графической информации (чертежей, рисунков, графиков) из ПК на бумажный носитель.

Устройства связи используются для связи с приборами и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и т.д.

В частности, сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для его подключения к каналу связи для обмена информацией с другими ПК, для работы в составе сети.

Конструктивно, ПК выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: дополнительные устройства памяти, клавиатура, дисплей, принтер и т.д.

Системный блок обычно включает в себя системную плату, блок питания, накопители на дисках, адаптеры, а также другие устройства.

На системной плате (или ее еще называют материнской платой – Mother Board), как правило, размещаются:

- микропроцессор;

- математический сопроцессор;

- генератор тактовых импульсов;

- блоки (микросхемы) ОЗУ и ПЗУ;

- адаптеры клавиатуры, НЖМД и НГМД;

- таймер и др.

Рис. Структурная схема персонального компьютера.

Программное обеспечение персонального компьютера

Возможности компьютера как технической системы обработки данных связаны с используемым программным обеспечением (программами).

Программное обеспечение (software) – совокупность программ обработки данных и необходимых для их эксплуатации документов.

Программа (program, routine) – упорядоченная последовательность команд (инструкций) компьютера для решения задачи.

Программы предназначены для машинной реализации задач. Задача (problem, task) – проблема, подлежащая решению.

Также важное место в информатике занимает термин приложение. Приложение (application) – программная реализация на компьютере решения задачи.

Программы по сфере их использования делятся на три больших класса:

- Системное программное обеспечение – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ;

- Инструментарий технологии программирования – совокупность программ и программных комплексов для разработки, отладки и внедрения создаваемых программ;

- Пакеты прикладных программ – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач в конкретной предметной области. Прикладные программы – самый многочисленный класс программных продуктов.

Системное программное обеспечение, в свою очередь, подразделяется на:

- базовое программное обеспечение, которое включает в себя:

- операционные системы,

- операционные оболочки,

- сетевые операционные системы;

- и сервисное программное обеспечение, которое состоит из:

- программы диагностики работоспособности ПК,

- антивирусные программы,

- программы обслуживания дисков,

- программы архивирования данных,

- программы обслуживания сети.

Базовое программное обеспечение (base software) – минимальный набор программных средств, обеспечивающих работу компьютера.

Операционная система – совокупность программ для организации диалога пользователя и компьютера для управления аппаратурой и ресурсами, для запуска программ и выполнения некоторых других функций.

В настоящее время наибольшее распространение имеют операционные системы фирмы Microsoft, такие как:

- MS-DOS – текстовая (неграфическая) операционная система;

- Windows 95/98/NT(2000) – различные версии графической операционной системы.

Приложениями операционной системы являются программы, предназначенные для работы под управлением этой системы.

Операционная (файловая) оболочка – специальная программа, предназначенная для облегчения взаимодействия пользователя с операционной системой. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса.

Наиболее популярными оболочками в настоящее время являются:

- Norton Commander,

- Volkov Commander,

- DOS Navigator,

- Far Manager,

- Windows Commander.

Сетевая операционная система – комплекс программ, обеспечивающих обработку, передачу и хранение данных в сети. Сетевая операционная система предоставляет пользователям различные виды сетевых служб (управление файлами, электронная почта, процессы управления сетью и др.)

Они оцениваются по комплексу критериев: производительность, разнообразие возможностей связи пользователей, возможности администрирования.

Расширением базового программного обеспечения является набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ. Эти программы часто называются утилитами.

Утилиты – программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров (диагностики, тестирования аппаратных и программных средств, оптимизации использования дискового пространства, восстановления разрушенной на магнитном диске информации и т.п.)

Рассмотрим подробнее наиболее важные из них.

Антивирусные программы – несколько видов специальных программ, разработанных для обнаружения и устранения вирусов.

Компьютерным вирусом называется специально написанная программа, способная самопроизвольно присоединяться к другим программам, создавать свои копии и внедрять их в файлы и системные области компьютера с целью нарушения работы программ, порчи файлов и каталогов.

Зараженный диск – это диск, в загрузочном секторе которого находится программа-вирус.

Зараженная программа – это программа, содержащая внедренную в нее программу-вирус.

Различают следующие виды антивирусных программ:

- программы-детекторы – осуществляют поиск вирусов и при обнаружении выдают соответствующее сообщение,

- программы-доктора – не только находят зараженные файлы, но и лечат их,

- программы-ревизоры – самые надежные средства защиты от вирусов. Эти программы запоминают исходное состояние программ на диске, а затем сравнивают текущее состояние с исходным.

- программы-фильтры – обнаруживают подозрительные действия при работе компьютера, характерные для вирусов. Такими действиями могут являться:

- попытки записи в файлы с расширениями COM и EXE,

- изменение атрибутов файлов,

- и др.

В настоящее время широкое распространение получили следующие антивирусные программы:

Aidstest, Doctor Web.

Программы обслуживания магнитных дисков предназначены для:

- восстановления удаленных файлов,

- ремонта поврежденной файловой системы,

- восстановления информации поврежденных файлов и каталогов,

- профилактики файловой системы для ускорения работы.

Рассмотрим в качестве примера утилиты из пакета Norton Utilities 8.0.

Восстановление удаленных файлов и каталогов и устранение повреждений файловой системы – это воссоздание на диске файлов и каталогов точно в таком же виде, какой они имели до удаления. Восстановление файлов можно осуществить при помощи программы UnErase.

Восстановление информации можно провести при помощи программы: Norton Disk Doctor (NDD).

Также для увеличения скорости работы компьютера производится дефрагментация диска при помощи программы Speed Disk.

При работе с ПК, а также при переносе информации с одного ПК на другой возникают проблемы с файлами больших размеров. Для решения этих проблем были разработаны программы-архиваторы.

Архиваторы производят сжатие информации.

Сжатие информации – это процесс преобразования информации к виду, при котором уменьшается избыточность в его представлении и требуется меньший объем памяти.

Архивный файл – специально организованный файл, содержащий в себе один или несколько файлов в сжатом виде.

Архивация – помещение исходных файлов в архивный файл в сжатом виде.

Разархивация – процесс восстановления файлов из архива.

Наиболее популярными архиваторами являются: RAR, ARJ, ZIP.

Рассмотрим подробнее принцип работы операционных систем. В основе любой операционной системы лежит принцип организации работы внешнего устройства хранения информации.

Файл – логически связанная совокупность данных или программ.

К файлу можно обращаться по имени. Имя файла всегда уникально. В операционной системе MS-DOS имя файла образуется не более чем из восьми символов. При этом используются только буквы латинского алфавита.

Также к файлу можно обращаться при помощи полного имени. Полное имя файла образуется из имени файла и расширения. Расширение – тип файла, характеризующий хранящуюся в нем информацию. Примеры расширений:

.dat – файл данных,

.arj – архивный файл,

.exe – исполняемый файл,

.com – командный файл,

.doc – файл документов.

Каталог (директория) – справочник файлов с указанием месторасположения на диске.

Подкаталог – каталог, который входит в другой каталог.

Работа в операционной системе MS-DOS организуется командами. Они вызывают определенное действие в компьютере. Команды задаются в командной строке.

Основными командами MS-DOS для работы с каталогами являются:

DIR – команда для просмотра содержимого каталога.

MD – создание каталога.

RD – удаление каталога.

CD – переход в другой каталог.

TYPE – просмотр текстового файла. После набора этой команды текст выводится непрерывным потоком. Скорость выдачи информации велика. Для приостанова вывода текста используются клавиши Ctrl+S.

DEL – удаление файла.

COPY – копирование файла.

FORMAT – форматирование диска. Эта команда нужна для создания на поверхности диска структуры (из дорожек, секторов и специальных зон) принятой в данной операционной системе. Команда FORMAT используется как для форматирования жестких дисков, так и для форматирования дискет.

DISKCOPY – копирование содержимого дисков.

DISKCOMP – сравнение содержимого дисков.

В операционной системе MS-DOS имеется ряд командных файлов. Важнейшими из них являются файлы:

AUTOEXEC.BAT – файл автонастройки операционной системы,

CONFIG.SYS – файл конфигурации.

Оба эти файла создаются и редактируются в текстовом режиме. Повреждение этих файлов может привести к сбоям в работе компьютера.