4. Способы хранения и представления графической информации в эвм.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ Под графической информацией будем понимать неподвижное изображение, например, ри-сунок, фотографию и т.д. С графической информацией связана также видеоинформация: в пер-вом приближении это то, что мы видим в окружающем мире, а также изображение с экрана те-левизора и т.п. С 80-х годов интенсивно развивается технология обработки на компьютере графической информации. Компьютерная графика позволяет создавать и редактировать рисунки, схемы, чертежи, преобразовывать изображения (фотографии, слайды и т.д.), представлять статистиче-ские данные в форме деловой графики, создавать анимационные модели (научные, игровые и т.д.), обрабатывать «живое видео». Графическая информация на экране монитора представляется в виде изображения, кото-рое формируется из точек (пикселей). Изображение, которое мы видим на экране компьютера, всегда имеет свое машинное, двоичное представление в памяти ЭВМ. Сначала рассмотрим модель монохромного, двуцвет-ного изображения (иногда говорят черно-белого изображения). Суть такого изображения в том, что имеется некоторый фон, на котором другим цветом нанесено изображение. Пусть имеется некоторый рисунок. Носителем этого рисунка может быть, например, бу-мага. Поместим данный рисунок в прямоугольную рамку. Выберем некоторый масштаб и про-ведем в рамке горизонтальные и вертикальные координатные линии. Таким образом, на рису-нок будет нанесена координатная сетка, представляющая собой совокупность клеток. Горизонтальный ряд клеток назовем линией. Каждая линия представляет собой сообще-ние. После получения линий-сообщений мы начинаем этап преобразования информации из непрерывной формы в дискретную (операцию дискретизации) следующим образом: просматривая слева направо клетки, каждой клетке поставим в соответствие либо ноль, либо единицу. Если в клетке имеется фрагмент изображения, то припишем ей единицу, иначе приписываем клетке ноль. Если изображение находится на границе клеток, то можно одной клетке (по выбору) приписать единицу, а другой – ноль. Восстановление рисунка проводится в обратном порядке. В этом простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния — «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит. Рассмотрим далее модель цветного изображения. Каждый цвет есть световая волна задан-ной частоты. Такие частоты образуют непрерывный спектр. Среди множества всех цветов мы должны выбрать некоторое конечное подмножество и занумеровать их. Таким образом, мы вы-полняем операцию квантования. Снова на рисунок наносим координатную сетку, получаем линии-сообщения. Каждой клетке припишем некоторый номер в диапазоне номеров цветов изображения по некоторому отбору. Каждому номеру поставим в соответствие двоичный набор – такое количество бит (ну-лей и единиц), которое достаточно для кодирования номера цвета. Полученную двоичную за-пись для всех клеток будем считать машинным кодом цветного изображения. Например, для модели 16-цветного изображения потребуется по четыре бита для кодирования каждой клетки. Восстановление рисунка проводится в обратном порядке. Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета (бит на точку: 4, 8, 16. 24). Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N = 21 может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора. Таблица 2.4. Количество отображаемых листов Глубина цвета (I) Количество отображаемых цветов (N) 4 24= 16 8 28 = 256 16 (High Color) 216= 65536 24 (True Color) 224= 16777216 Совершенно очевидно, что в большинстве случаев в результате двоичного представления изображения часть информации теряется. Однако при очень большом количестве клеток, нала-гающихся на рисунок, человеческий глаз практически не в состоянии отличить разницу между оригиналом и изображением, восстановленным из двоичного кода. Для высокой точности представления цветного изображения требуется большое количество памяти ЭВМ. Изображение может иметь различный размер, который определяется количеством точек по горизонтали и по вертикали. В современных персональных компьютерах обычно использу-ются четыре основных размера изображения или разрешающих способностей экрана: 640*480, 800*600, 1024*768 и 1280*1024 точки. Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способ-ностью экрана и глубиной цвета. Полная информация о всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения. Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (цвет точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для наиболее распространенного в настоящее время графического режима (800*600 точек, 16 бит на точку). Всего точек на экране: 800 * 600 = 480000 Необходимый объем видеопамяти: 16 бит*480000=7680000 бит = 960000 байт = 937,5 Кбайт. Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов. Таблица 2.5. Объем видеопамяти для различных графических режимов Режим экрана Глубина цвета (бит на точку) 4 8 16 24 640 на 480 150 Кбайт 300 Кбайт 600 Кбайт 900 Кбайт 800 на 600 234 Кбайт 469 Кбайт 938 Кбайт 1,4 Мбайт 1024 на 768 384 Кбайт 768 Кбайт 1,5 Мбайт 2,25 Мбайт 1280 на 1024 640 Кбайт 1,25 Мбайт 2,5 Мбайт 3,75 Мбайт Современные компьютеры обладают такими техническими характеристиками, которые позволяют обрабатывать и выводить на экран, так называемое «живое видео», т.е. видеоизоб-ражение естественных объектов. Видеоизображение формируется из отдельных кадров, кото-рые сменяют друг друга с высокой частотой (не воспринимаемой глазом). Обычно частота кад-ров составляет 25 Гц, т.е. за 1 секунду сменяется 25 кадров. Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодирование позво-ляет использовать двоичный код для представления графических данных. Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации то-чек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа. Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких составляющих используют три основные цвета: красный (Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется системой RGB по первым буквам названий основных цветов. Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изобра-жений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При этом система ко-дирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности человеческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 двоичных разрядов называется полноцветным (True Color). Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Нетрудно заметить, что для любого из ос-новных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных основных цветов. Соответственно, дополнительными цветами являются: голубой ( Cyan, С), пурпурный (Magenta, М) и желтый (Yellow, Y). Принцип декомпозиции произвольного цвета на составляю-щие компоненты можно приме¬нять не только для основных цветов, но и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляю-щей. Такой метод кодирования цвета принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска — черная (Black, К). Поэтому данная система кодирования обозначается че-тырьмя буквами CMYK (черный цвет обозначается буквой К, потому, что буква В уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим тоже называется полно¬цветным (True Color). Если уменьшить количество двоичных разрядов, используемых для кодирования цвета каждой точки, то можно сократить объем данных, но при этом диапазон кодируемых цветов заметно сокращается. Кодирование цветной графики 16-разрядными двоичными числами называется режимом High Color. При кодировании информации о цвете с помощью восьми бит данных можно пере¬дать только 256 цветовых оттенков. Такой метод кодирования цвета называется индексным. Смысл названия в том, что, поскольку 256 значений совершенно недостаточно, чтобы передать весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, код каждой точки растра выражает не цвет сам по себе, а только его номер (индекс) в некоей справочной таблице, называемой палитрой. Разумеется, эта палитра должна прикладываться к графическим данным — без нее нельзя вос-пользоваться методами воспроизведения информации на экране или бумаге (то есть, воспользоваться, конечно, можно, но из-

5. Способы хранения и вывода аудио информации в ЭВМ.

Хранение информации при использовании ЭВМ осуществляется на магнитных дисках или лентах, на лазерных дисках (CD и DVD), специальных устройствах энергонезависимой памяти (флэш-память и пр.)

Аудио информация храница в виде звуковых файлов имеющих собственное расширение.

Аудио информация выводится с помощью динамиков, колонок, наушников и т.д.

6. Способ хранения и представления текстовой информации с помощью ЭВМ.

Хранение информации при использовании ЭВМ осуществляется на магнитных дисках или лентах, на лазерных дисках (CD и DVD), специальных устройствах энергонезависимой памяти (флэш-память и пр.)

в памяти компьютера текстовая информация представленна в виде двоичного кода, пользователю при запросе данного текстового файла информация выводится на дисплее в виде символов, каждому символу сапоставленна определенная комбинация двоичного кода.

7. Области применения ЭВМ различных типов. Классификация типов ЭВМ по быстродействию и объему памяти.

Параметр

СуперЭВМ

Большие ЭВМ

Малые ЭВМ

МикроЭВМ

Производительность, MIPS

1000—10000

10—1000

1—100

1—100

ОЗУ, Мбайт

2000—10000

64—10000

4—512

4—256

ВЗУ, Гбайт

500—5000

50—1000

2—100

0,5—10

Разрядность, бит

64—128

32—64

16—64

16—64

Классификация ЭВМ по мощности (быстродействию):

1).Супер-ЭВМ – машины для крупно-маштабных задач (фирма IBM).

2).Большие ЭВМ – машины для территориальных, региональных задач.

3).Средние ЭВМ – машины очень широкого распространения.

4).Малые ЭВМ.

5).ПЭВМ (персональные ЭВМ).

6).Микро ЭВМ и микропроцессоры.

7).Сети ЭВМ.

Классификация ЭВМ, исходя из их вычислительной мощности и габаритов.

8. Организация вычислительного процесса на ЭВМ; назначение операционной системы, принципы построения и функционирования ОС.

Организация вычислительного процесса на ЭВМ

Вычислительный процесс

Под управлением оператора Под управлением ОС

В реальном времени

Пакетная обработка Ориентирована на

индивидуального

пользователя

Принципы построения ОС

1. Модульный принцип

2. Генерация в момент запуска.

3. Защита программ друг от друга и от ОС.

4. Рассматривает ресурсы ОС как виртуальные.

Назначение ОС

Замена действий оператора.

Например, чтобы считать или записать информацию на дискету, надо:

1.Запустить двигатель вращения дискеты

2.Управлять шаговым двигателем перемещения головки

3.Следить за индикатором присутствия дискеты

4.Выбрать номер блока на диске

5.Выбрать дорожку

6.Выбрать номер сектора на дорожке

и.т.д.

Все эти функции берет на себя операционная система.

Дополнительная информация

Принципы построения операционных систем

Принцип модульности

Модуль – функционально значимый элемент системы, обладающий установленным межмодульным интерфейсом. Последний предполагает возможность замены его любым другим модулем, обладающим таким же интерфейсом.

Принцип модульности даёт максимальный эффект, если он распространяется на ОС, прикладные программы и аппаратуру.

Принцип функциональной избирательности

Некоторая часть модулей ОС должна частично находиться в памяти для более эффективной организации вычислительного процесса. Она называется ядром ОС. К ядру предъявляются требования минимальности требуемого объема памяти и наиболее часто используемым функциям. К ядру, как правило, относят модули управления системой прерываний, управления задачами, модули управления ресурсами.

Остальные модули ОС называются транзитными или диск-резидентными. Они загружаются в память по необходимости, а при отсутствии свободного пространства памяти замещаются другими, более необходимыми в данный момент.

Принцип генерируемости

Суть его в том, что способ исходного представления ядра ОС должен позволять настройку его на непосредственную конфигурацию вычислительного комплекса на круг решаемых задач. Процесс генерации осуществляется программой генерации ОС с использованием соответствующего программного языка, позволяющего описывать программные возможности системы и конфигурацию машины. В результате генерируется полная рабочая версия ОС.

Использование принципа модульности упрощает настройку ОС.

В большинстве современных ОС для персональных компьютеров конфигурирование под имеющийся состав оборудования производится на этапе инсталляции, а последующие изменения параметров ОС или состава драйверов производятся редактированием файла конфигурации.

Единственной ОС, генерируемой в полном смысле является ОС Linux. В ней можно сгенерировать ядро, оптимальное для данного компьютера и указать набор подгружаемых драйверов и служб.

Принцип функциональной избыточности

Он учитывает возможность выполнения одной и той же работы различными средствами. Наличие возможности использования нескольких типов мониторов или планировщиков ресурсов, систем управления файлами и т.д. позволяет быстро и адекватно адаптировать ОС к данной конфигурации вычислительной системы, эффективно загружать технические средства, получить максимальную производительность.

Принцип виртуализации

Он позволяет представить структуру системы в виде набора планировщиков процессов и распределителей ресурсов и использовать единую схему распределения ресурсов. Наиболее полно принцип проявляется в понятии виртуальной машины (машины вообще), обладающей идеальными для пользователя архитектурными характеристиками:

– единая (т.е. виртуальная) память неограниченного объема со временем доступа, совпадающим с аналогичным параметром реальной машины;

– произвольное количество процессов (виртуальных) способных работать с памятью параллельно и последовательно, синхронно и асинхронно (способ выбирается пользователем);

– произвольное число внешних устройств с неограниченными объёмами хранимой информации с различными видами доступа и открытой архитектурой.

Степень приближения реальной машины и виртуальной может быть больше или меньше в каждом конкретном случае.

Одним из примеров применения принципа виртуальности является имеющаяся во всех ОС Windows, OS/2 VDM-машина (virtual DOS-machine) – защищенная подсистема, предоставляющая полную MS-DOS среду и консоль для выполнения DOS-приложений.

Принцип независимости программ от внешних устройств

Суть его в том, что связь программы с внешним устройством устанавливается не на этапе трансляции, а в период планирования её исполнения. Программа общается не с устройствами, а с ОС, сообщая ей о потребности в ресурсах для выполнения данной работы. Конкретное устройство, на котором эта работа будет выполнена, программу не интересует, это задача ОС.

Принцип совместимости

Суть принципа – в обеспечении способности ОС выполнять программы, написанные для других ОС или под другие аппаратные платформы.

Различают совместимость на уровне исходных текстов (текстовая совместимость) и на уровне кодов (двоичная совместимость).

Первая требует наличия транслятора, совместимость на уровне библиотек и системных вызовов. При этом требуется повторная компиляция исходных текстов в новый исполняемый модуль.

Вторая требует совместимость на уровне архитектуры процессоров и систем команд. Для реализации такой совместимости используются эмуляторы (прикладные среды).

Принцип открытости и наращиваемости

Открытая ОС доступна для анализа пользователем и системным программистом. Наращиваемая ОС позволяет вводить в состав новые модули, модернизировать существующие и т.д., не нарушая целостности системы. Пример наращиваемости демонстрируют структурированные ОС типа "клиент-сервер" на основе микроядерной технологии, когда ядро системы (привилегированная управляющая программа) сохраняется неизменяемым, а состав серверов (набор непривилегированных услуг) может модифицироваться. Примером открытой системы является ОС Linux и все UNIX-системы.

Принцип мобильности (переносимости)

Принцип требует, чтобы ОС легко устанавливалась с одного процессора на другой, с одной аппаратной платформы на другую. Для этого ОС в основном должна быть написана на языке, имеющемся на всех платформах, куда её планируется переносить (предпочтительно на С). Кроме того, в ней должны быть минимизированы (а ещё лучше – исключены) средства взаимодействия с аппаратурой. Не исключенные аппаратно зависимые части кода должны быть изолированы в хорошо локализируемых модулях. Тогда при переносе меняются (или подстраиваются) только эти локальные данные и функции взаимодействия с ними.

Принцип безопасности вычислений

Правила безопасности защищают ресурсы одного пользователя от других и устанавливают квоты на ресурсы для предотвращения захвата всех ресурсов одним пользователем.

Основы стандартов в области безопасности вычислений были заложены в документе под названием «Критерии оценки наземных компьютерных систем» и изданном Национальным центром компьютерной безопасности США (NCSC – National Computer Security Center) в 1983 г. В соответствии с ним безопасной считается система, посредством специальных механизмов контролирующая доступ к информации так, что доступ к ней получают только лица с соответствующими полномочиями или процессы, выполняющиеся от их имени.

Определено 4 уровня безопасности А (высший) – D (низший). При этом в класс D попадают системы, у которых выявлено несоответствие всем трём высшим классам. Класс С делится на два уровня: С1 обеспечивает защиту данных от ошибок пользователя, но не от злоумышленников, а С2 защищает данные в обоих ситуациях. На уровне С2 должны присутствовать:

– секретность входа (идентифицируя пользователей по уникальному имени и паролю);

– контроль доступа (информирование владельца данных о лицах, имеющих доступ к данным и их правах на пользование ими);

– наблюдение и учет за ситуацией с безопасностью (фиксация попыток получить доступ, создать или удалить системные реестры);

– защита памяти (удаление содержимого памяти предыдущего сеанса работы перед началом нового).

Системы уровня В реализуют контроль доступа (каждый пользователь имеет рейтинг защиты и доступ только в соответствии с этим рейтингом). Эти системы защищены от ошибочного поведения пользователя.

Уровень А требует дополнительно формального, математически доказанного соответствия системы требованиям безопасности. Однако А-уровень занимает своими управляющими механизмами до 90% процессорного времени. Более безопасные системы не только снижают продуктивность, но и ограничивают число доступных приложений.

Различные коммерческие структуры, например банки, поддерживают безопасность своих систем, как правило на уровне С2.

9. Операционные системы; назначение, выполняемые функции; типы операционных систем.

Вопрос N9

Операционные системы

Назначение: комплекс программного обеспечения, предназначенный для снижения

стоимости программирования, упрощения доступа к системе, повышения эффективности работы.

Функции ОС

1)управление устройствами компьютера (ресурсами)

2)управление процессами

3)управление доступом к данным на энергонезависимых носителях

4)ведение файловой структуры.

5)пользовательский интерфейс

Типы ОС

1)ОС реального времени

2)Однопользовательские однозадачные

3)Однопользовательские многозадачные

4)Многопользовательские

10. Структура ЭВМ с центральным процессором и магистральная схема ЭВМ (на общей шине).

11. Назначение и состав центрального процессора ЭВМ.

Центральный процессор — основное устройство ЭВМ, которое наряду с обработкой данных выполняет функции управления системой: иницииро­вание ввода-вывода, обработку системных событий, управление доступом к сновной памяти и т.п.

Организация центрального процессора (ЦП) определяется архитектурой и принципами работы ЭВМ (состав и форматы команд, представление чисел, способы адресации, общая организация машины и её основные элементы), а также технико-экономическими показателями.

Логическую структуру ЦП представляет ряд функциональных средств (рис. 3.1): средства обработки, средства управления системой и программой, локальная память, средства управления вводом-выводом и памятью, систем­ные средства.

Средства обработки обеспечивают выполнение операций с фиксирован­ной и плавающей точкой, операций с десятичными данными и полями пере­менной длины. Локальная память состоит из регистров общего назначения и с плавающей точкой, а также управляющих регистров. К средствам управле­ния памятью относятся средства управления доступом к ОП и предвыборкой команд, буферная память, средства защиты памяти. Средства управления вводом-выводом обеспечивают приоритетный доступ программ через кон­троллеры (каналы) к периферийному оборудованию. К системным средствам относятся средства службы времени: часы астрономического времени, тай­мер, коммутатор и т.д.

Существует обязательный (стандартный) минимальный набор функцио­нальных средств для каждого типа центрального процессора. Он включает в себя: регистры общего назначения, средства выполнения стандартного набо­ра операций и средства управления вычислительным процессом. Конкретная реализация ЦП может различаться составом средств, способом их реализа­ции, техническими параметрами.