2 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики
МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ по изучению дисциплины ИНФОРМАТИКА для студентов заочного отделения специальностей 200900, 201000 Одобрено Методическим советом ПГАТИ от 25.05.2004 г.
Авторы-составители:
А.М. Стефанов, к.т.н., доцент И.А. Стефанова, ст. преподаватель
Редактор
Э.А. Акчурин, д.т.н., профессор
Рецензент
Е.А. Матвеева, к.т.н., доцент
Самара 2004
СОДЕРЖАНИЕ Введение .......................................................................................................3 Рекомендуемая литература .........................................................................3 1. Понятие, измерение и свойства информации........................................3 1.1. Формы адекватности информации ...............................................4 1.2. Меры информации .........................................................................4 1.3. Качество информации....................................................................6 2. Информационные технологии ................................................................7 2.1. Понятие и структура информационной технологии ...................7 2.2. Виды информационных технологий...........................................10 3. Информационно-логические основы построения ЭВМ .....................15 3.1. Представление информации в ЭВМ ...........................................15 3.2. Кодирование чисел двоичным кодом .........................................18 3.3. Логические основы построения ЭВМ ........................................19 3.4. Арифметические операции в ЭВМ .............................................21 3.5. Принцип программного управления ЭВМ.................................22 4. Аппаратные средства ПК ......................................................................24 4.1. Базовая аппаратная конфигурация..............................................24 4.2. Структура системного блока .......................................................26 4.3. Основные системы материнской платы .....................................28 4.4. Периферийные устройства ПК....................................................33 5. Программное обеспечение ПК .............................................................38 5.1. Процесс создания программного обеспечения ..........................38 5.2. Классификация программных продуктов ..................................39 5.3. Файловая система.........................................................................45 5.4. Сервисное программное обеспечение ........................................47 5.5. Текстовый процессор ...................................................................50 5.6. Табличный процессор ..................................................................55 6. Сетевые технологии ..............................................................................60 6.1. Обобщенная структура вычислительной сети ...........................60 6.2. Коммуникационная среда и передача данных...........................62 6.3. Протоколы компьютерной сети ..................................................65 6.4. Локальные вычислительные сети ...............................................65 6.5. Глобальная сеть Internet...............................................................69 6.6. Принципы защиты информации в сетях ....................................74 7. Контрольная работа...............................................................................75 7.1. Задания контрольной работы ......................................................75 7.2. Требования к оформлению отчетного документа .....................78 7.3. Методические указания к выполнению контрольной работы..80 8. Перечень контрольных вопросов .........................................................83
3
4
Введение
только эти данные начинают использоваться – взаимодействовать с другими физическими объектами, возникают определенные изменения свойств объектов и данные превращаются в информацию. Таким образом, информацию можно определить и как продукт взаимодействия данных и адекватных им методов регистрации. Для потребителя информации очень важной характеристикой является ее адекватность. Адекватность информации – это определенный уровень соответствия образа, создаваемого с помощью полученной информации, реальному объекту, процессу, явлению и т.п. От степени адекватности информации реальному состоянию объекта или процесса зависит правильность принятия решений человеком.
Целью дисциплины «Информатика» является обеспечение базовой подготовки студентов заочного отделения специальностей 200900 и 201000 в области информационных технологий, достаточной для последующего изучения специальных дисциплин. Изучение дисциплины «Информатика» предполагает самостоятельную работу с указанной ниже литературой, прослушивание лекций, практические занятия и выполнение контрольной работы. Данный курс направлен на приобретение знаний основных теоретических положений информатики и практических навыков работы с программным инструментарием компьютерной информационной технологии. Настоящее методическое пособие поможет студентам сориентироваться в учебном материале курса и успешно выполнить как контрольную работу, так и учебный план дисциплины в целом.
Рекомендуемая литература 1. Информатика: Учебник /Под ред. Проф. Н.В. Макаровой. – М.: «Финансы и статистика», 2003. 2. Информатика. Базовый курс. /Под ред. Симонович С.В. – СПБ.: «Питер», 2000. 3. Симонович С., Авсеев Г. Новейший учитель по работе в ИНТЕРНЕТ.– М.: «Инфорком-Пресс», 2000.
1. Понятие, измерение и свойства информации Информацию можно определить как сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний. Информация регистрируется с помощью сообщений. Сообщение – это форма представления информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п. Изучением процессов преобразования и создания новой информации занимается информатика. Информатику можно определить как область человеческой деятельности, связанную с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие "данные". Данные могут рассматриваться как признаки некоторых физических объектов, которые по каким-то причинам не взаимодействуют с другими физическими объектами, а лишь хранятся. Однако как
1.1. Формы адекватности информации Адекватность информации может выражаться в трех формах: семантической, синтаксической, прагматической. Синтаксическая адекватность отображает формальноструктурные характеристики информации и не затрагивает ее смыслового содержания. На синтаксическом уровне учитываются тип носителя и способ представления информации, скорость передачи и обработки, размеры кодов представления информации и т.п. Информацию, рассматриваемую только с синтаксических позиций, называют данными, так как при этом не имеет значения смысловая сторона. Семантическая (смысловая) адекватность определяет степень соответствия образа объекта и самого объекта. На этом уровне анализируются те сведения, которые отражает информация, рассматриваются смысловые связи. В информатике устанавливаются смысловые связи между кодами представления информации. Прагматическая (потребительская) адекватность отражает отношение информации и ее потребителя, соответствие информации цели управления, которая на ее основе реализуется. Проявляются прагматические свойства информации только при наличии единства информации (объекта), пользователя и цели управления. Прагматический аспект рассмотрения связан с ценностью, полезностью использования информации при выработке потребителем решения для достижения своей цели. 1.2. Меры информации Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных VД. Эти параметры имеют разные выражения и интерпретацию в зависимости от рассматриваемой формы адекватности. Синтаксическая мера. Объем данных в сообщении определяется
5
6
количеством символов (разрядов) в этом сообщении. Количество информации на этом уровне невозможно определить без понятия неопределенности состояния системы (энтропии системы). Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые предварительные (априорные) сведения α о системе. Мерой его неосведомленности является функция Н(α), которая в то же время служит и мерой неопределенности состояния системы. После получения некоторого сообщения β получатель приобрел некоторую дополнительную информацию Iβ(α), уменьшившую его априорную неосведомленность. В результате апостериорная (после получения сообщения β) неопределенность состояния системы стала Нβ(α). Тогда количество информации Iβ(α) о системе, полученной в сообщении β, определится как Iβ(α) = Н(α) – Нβ(α), то есть количество информации измеряется изменением (уменьшением) неопределенности состояния системы. Если Нβ(α) = 0, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием. Таким образом, энтропия системы Н(α) может рассматриваться как мера недостающей информации и при N возможных состояний системы, согласно формуле Шеннона,
вателем, является величиной относительной, зависящей от степени компетентности пользователя. По этой причине мерой IC может служить коэффициент содержательности С: С = IC /VД. Прагматическая мера. Также является величиной относительной, поскольку зависит от особенностей использования этой информации в той или иной системе. Ценность информации целесообразно измерять в тех же единицах (или близких к ним), в которых измеряется целевая функция (описание цели использования информации).
N
Н(α) = – ∑ Pi log Pi
,
i =1
где Рi – вероятность того, что система находится в i-м состоянии. Коэффициент (степень) информативности (лаконичность) сообщения определяется отношением количества информации к объему данных: Y = I/VД , причем 0
1.3. Качество информации Возможность и эффективность использования информации обусловливаются следующими основными потребительскими показателями качества. 1. Репрезентативность информации – связана с правильностью отбора и формирования информации в целях адекватного отражения свойств объекта. Важнейшее значение здесь имеет, во-первых, правильность концепции, на базе которой сформулировано исходное понятие. Во-вторых, обоснованность отбора существенных признаков и связей отображаемого явления. 2. Содержательность информации – отражает семантическую емкость С. Наряду с коэффициентом содержательности С можно использовать и коэффициент информативности Y. 3. Достаточность (полнота) информации – означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения состав (набор показателей). Следует помнить, что как недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация (учет несущественных деталей) снижает эффективность принимаемых пользователем решений. 4. Доступность информации восприятию пользователя – обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Например, в компьютере исходная информация представляется в виде двоичных чисел, а результаты ее обработки преобразовываются к удобной для восприятия пользователем форме. Это достигается, в частности, и путем согласования семантической формы информации с тезаурусом пользователя. 5. Актуальность информации – определяется степенью сохранения ценности информации для управления в момент ее использования. Актуальность зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации. 6. Своевременность информации – означает ее поступление не позже заранее назначенного момента времени, согласованного со вре-
7
8
менем решения поставленной задачи. 7. Точность информации – определяется степенью близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т.п. Например, для информации, отображаемой цифровым кодом, различают: − формальную точность, измеряемую значением единицы младшего разряда числа; − реальную точность, определяемую значением единицы последнего разряда числа, верность которого гарантируется; − максимальную точность, которую можно получить в конкретных условиях работы системы; − необходимую точность, определяемую функциональным назначением показателя. 8. Достоверность информации – определяется ее свойством отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Измеряется достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, то есть вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности. 9. Устойчивость информации – отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость информации, как и репрезентативность, обусловливается выбранной методикой ее отбора и формирования. Следует отметить, что первые четыре и последний показатель целиком определяются на методическом уровне разработки информационных систем. Остальные параметры обусловливаются в большей степени также на методическом уровне, однако на их величину существенно влияет и характер работы системы, в первую очередь ее надежность. При этом параметры актуальности и точности жестко связаны соответственно с параметрами своевременности и достоверности.
Внедрение в информационную сферу персонального компьютера и применение телекоммуникационных средств связи изменили ее название за счет присоединения одного из синонимов: «новая», «компьютерная» или «современная». Новая информационная технология – информационная технология с «дружественным» интерфейсом работы пользователя, использующая персональные компьютеры и телекоммуникационные средства. В приведенном определении под интерфейсом понимается интерфейс пользователя. Пользовательским интерфейсом называют методы и средства взаимодействия человека с аппаратным и программным обеспечением процесса преобразования первичной информации в информацию нового качества. Термин «дружественный» означает максимально возможное упрощение приемов работы с интерфейсом. Рассматривая информатику как техническую науку, можно сформулировать более узкое понятие новой информационной технологии. Новая информационная технология – совокупность четко определенных целенаправленных действий пользователя по переработке информации на компьютере. В дальнейшем изложении для простоты прилагательное «новая» опускается при сохранении его смысла в термине «информационная технология». На рис. 2.1 представлена иерархическая структура информационной технологии. Первый уровень – этапы, где реализуются сравнительно длительные технологические процессы, состоящие из операций, действий и элементарных операций. Например, технология создания шаблона формы документа в текстовом процессоре Word состоит из следующих этапов: • этап 1 – создание постоянной части формы в виде текстов и таблиц; • этап 2 – создание постоянной части формы в виде кадра, куда затем помещается рисунок; • этап 3 – создание переменной части формы; • этап 4 – защита и сохранение формы. Второй уровень – операции, в результате выполнения которых будет создан конкретный объект, выбранный на 1-м уровне. Например, этап 2 технологии создания постоянной части формы документа в виде кадра состоит из следующих операций: • операция 1 – создание кадра; • операция 2 – настройка кадра; • операция 3 – внедрение в кадр рисунка. Третий уровень – действия, представляющие собой совокупность стандартных для каждой программной среды приемов работы, приводящих к выполнению поставленной в соответствующей операции цели. Каждое действие изменяет содержание экрана монитора. Напри-
2. Информационные технологии 2.1. Понятие и структура информационной технологии Информационная технология – процесс (определенная совокупность действий), использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта). Целью информационной технологии является производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия.
9
10
Информационная технология Этап 1 Опера- Операция 1 ция 2
Опера-
. . . ция S
Опера- Опера- Операция 2 ция 8 ция 25
Этап М Операция 10
. . . Операция K
Действие 1
Действие 2
Действие15
Действие 3
Действие 3
Действие1
...
...
Действие 5 Действие15
Элементарная операция 5 Элементарная операция 2
…
Действие 4
...
Действие 1
Действие N
Действие 5 Действие10
Действие 1
...
Этап 2
ютерную систему обработку информации. Основная цель информационной системы – организация хранения и передачи информации.
Элементарная операция 5 Элементарная операция 2
Элементарная операция 1 Элементарная операция 1 Элементарная операция 7 Элементарная операция 7 мер, внедрение в кадр рисунка состоит из следующих действий: Рис. 2.1. Иерархическая структура информационной технологии
• действие 1 – установка курсора в кадре; • действие 2 – выполнение команды вставка/рисунок; • действие 3 – установка значений параметров в окне диалога. Четвертый уровень – элементарные операции по управлению мышью и клавиатурой. Например, «щелчок» правой или левой кнопкой мыши и т.п. Освоение информационной технологии начинается с овладения набора элементарных операций, число которых ограничено. Из этого ограниченного числа элементарных операций составляется действие, а из действий, также в разных комбинациях, составляются операции, которые определяют тот или иной технологический этап. Совокупность технологических этапов образует технологический процесс (технологию). Информационная технология тесно связана с информационными системами, которые являются для нее основной средой. Составляющими элементами информационной системы являются компьютеры, компьютерные сети, программные продукты, базы данных, люди, различного рода технические и программные средства связи и т.д. Таким образом, информационная система представляет собой человеко-компь-
2.2. Виды информационных технологий Информационная технология обработки данных предназначена для решения задач, по которым имеются необходимые входные данные и известны правила их обработки. Обработка данных (преобразование из одного вида в другой с помощью определенных методов) включает в себя множество различных операций (компонентов технологии). В структуре возможных операций с данными можно выделить следующие основные операции: • сбор данных – накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решений; • формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой, то есть повысить их уровень доступности; • фильтрация данных – отсеивание «лишних» данных, в которых нет необходимости для принятия решений; при этом должен уменьшаться уровень «шума», а достоверность и адекватность данных должны возрастать; • сортировка данных – упорядочение данных по заданному признаку с целью удобства использования; при этом повышается доступность информации; • архивация данных – организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат по хранению данных и повышает общую надежность информационного процесса в целом; • защита данных – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных; • транспортировка данных – прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса; при этом источник данных в информатике принято называть сервером, а потребителя – клиентом; • преобразование данных – перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую. Работа с большими наборами данных автоматизируется проще, когда данные упорядочены, то есть образуют заданную структуру. При создании любой структуры данных решаются два вопроса: как разделять элементы данных между собой и как разыскивать нужные данные. Существует три основных типа структур данных: линейная, табличная и иерархическая.
11
12
Линейные структуры представляют собой обычные списки. Список – это простейшая структура данных, каждый элемент которой однозначно определяется своим номером. Если условиться, что каждый новый элемент списка заносится с новой строки, то разделителем будет конец строки, а нужный элемент отыскивается по номеру строки. В общем случае разделителем может быть любой специальный символ, например пробел, символ «*» и т.п. Если же все элементы списка имеют равную длину, разделители в списке вообще не нужны. Такие упрощенные списки называют векторами данных. Обобщая сказанное, можно сформулировать следующее определение: линейные структуры данных (списки) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента однозначно определяется его номером. Табличные структуры отличаются от списочных тем, что элементы данных определяются адресом ячейки, который состоит не из одного параметра, как в списках, а из двух – номера строки и номера столбца. В качестве разделителей используются линии вертикальной и горизонтальной разметки. При равной длине всех элементов разделители не нужны. Такие таблицы называют матрицами. Таким образом, табличные структуры данных (матрицы) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется номером строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка, содержащая искомый элемент. Нерегулярные данные, которые трудно представить в виде списка или таблицы, часто представляют в виде иерархических структур. В иерархической структуре адрес каждого элемента определяется маршрутом, ведущим от вершины структуры к данному элементу. Например, путь доступа (маршрут) к команде, запускающей программу Калькулятор в операционной системе Windows: Пуск/Программы/Стандартные/Калькулятор. Формы представления данных рассматриваются в следующем разделе. Информационная технология управления предназначена для удовлетворения информационных потребностей всех без исключения пользователей, имеющих дело с принятием решений. Эта технология ориентирована на работу в среде информационной системы управления и используется при худшей структурированности решаемых задач, если их сравнивать с задачами, решаемыми информационной технологией обработки данных. Здесь решаются следующие задачи: − оценка планируемого состояния объекта управления; − оценка отклонений от планируемого состояния; − выявление причин отклонений; − анализ возможных решений и действий.
Основным компонентом информационной технологии управления является база данных. База данных – совокупность связанных данных, правила организации которых основаны на общих принципах описания, хранения и манипулирования данными. В данном случае база данных должна состоять из данных, накапливаемых на основе оценки состояния объекта управления, и данных, определяющих планируемое его состояние. Выходная информация формируется в виде управленческих отчетов в удобном для принятия решения виде. Информационная технология автоматизированного офиса – организация и поддержка коммуникационных процессов как внутри организации, так и с внешней средой на базе компьютерных сетей и других современных средств передачи и работы с информацией. Автоматизация офиса призвана лишь дополнить существующую традиционную систему коммуникации персонала (с ее совещаниями, телефонными звонками и приказами). Основными компонентами данной информационной технологии являются: • база данных – концентрирует данные о производственной системе фирмы, которые могут поступать и из внешнего ее окружения; • текстовый процессор – предназначен для создания и обработки текстовых документов, предоставляя эффективный вид письменной коммуникации (получение писем и докладов); • электронная почта – дает возможность пользователю получать, хранить и отправлять сообщения своим партнерам по сети; • аудиопочта – дает возможность передачи сообщений голосом через телефон; присланные сообщения получают также через телефон; • табличный процессор – позволяет выполнять многочисленные операции над данными, представленными в табличной форме; • электронный календарь – предоставляет возможность манипулирования рабочим расписанием управленцев и других работников организации, в том числе и по сети; • телеконференция – включает в себя три типа конференций: аудио, видео и компьютерную. Компьютерные конференции используют компьютерные сети для обмена информацией между участниками группы, решающей определенную проблему. Число участников компьютерной конференции может быть во много раз больше, чем аудиои видеоконференций. Аудиоконференции используют телефонную связь, оснащенную дополнительными устройствами, дающими возможность участия в разговоре более чем двум участникам. При этом не требуется наличия компьютера. Видеоконференции предназначены для тех же целей, что и аудиоконференции, но с применением видеоаппаратуры. Их проведение также не требует компьютера.
13
14
Информационная технология поддержки принятия решений – выработка решения происходит в результате циклического процесса (рис. 2.2), окончание которого происходит по воле человека.
но эти модели реализуются как детерминистские, оптимизационные и универсальные. Оперативные модели используются для поддержки принятия оперативных решений. Они, как правило, детерминистские, оптимизационные и универсальные. Математические модели состоят из совокупности модельных блоков и модулей, реализующих математические методы, и используются для построения и поддержания моделей; • интерфейс системы поддержки принятия решений – определяет эффективность и гибкость информационной технологии. Интерфейс должен обладать следующими возможностями: манипулировать различными формами диалога, изменяя их в процессе принятия решения по выбору пользователя; передавать данные системе различными способами; получать данные от различных устройств системы в различном формате; гибко поддерживать (оказывать справочную помощь по запросу, подсказывать) знания пользователя. Информационная технология экспертных систем, во-первых, предлагает пользователю принять решение, превосходящее его возможности. Во-вторых, поясняет свои рассуждения в процессе получения решения, которые для пользователя часто оказываются более важными, чем само решение. В-третьих, дает возможность использовать знания экспертов в различных проблемных областях. Основными компонентами данной информационной технологии являются: • интерфейс пользователя – используется для ввода информации и команд в экспертную систему и получения выходной информации; • база данных – содержит факты, описывающие проблемную область, а также логическую взаимосвязь этих фактов. Центральное место в базе знаний принадлежит правилам. Правило определяет, что следует делать в данной конкретной ситуации, и состоит из двух частей: условия, которое может выполняться или нет, и действия, которое следует произвести, если условие выполняется; • интерпретатор – часть экспертной системы, производящая в определенном порядке обработку знаний (мышление), находящихся в базе знаний. Технология работы интерпретатора сводится к последовательному рассмотрению совокупности правил. Если условие, содержащееся в правиле, соблюдается, выполняется определенное действие, и пользователю предоставляется вариант решения его проблемы; • модуль создания системы – служит для создания набора (иерархии) правил. Существуют два подхода, которые могут быть положены в основу модуля создания системы: использование алгоритмических языков программирования и использование оболочек экспертных систем. Для представления базы знаний специально разработаны языки
Вариант Система поддержки вычислений принятия решений
Человек, принимающий решения
Решение выработано
Введение новых исходных данных Рис. 2.2. Информационная технология поддержки принятия решений как циклический процесс Основными компонентами данной информационной технологии являются: • база данных – помимо прочих данных включает предварительно обработанные данные от информационной системы операционного уровня; • база моделей – обеспечивает проведение анализа в системах поддержки принятия решений с целью описания и оптимизации некоторого объекта или процесса. Модели, основываясь на математической интерпретации проблемы, при помощи определенных алгоритмов способствуют нахождению информации, полезной для принятия правильных решений. По цели использования модели подразделяются на оптимизационные и описательные. Первые связаны с нахождением точек минимума или максимума некоторых показателей, а вторые лишь описывают поведение некоторой системы и не предназначены для целей управления (оптимизации). По способу оценки модели классифицируются на детерминистские и стохастические. Первые используют оценку переменных одним числом при конкретных значениях исходных данных, а вторые – несколькими параметрами при задании исходных данных вероятностными характеристиками. По области возможных приложений модели разбиваются на специализированные, предназначенные для использования только одной системой, и универсальные – для использования несколькими системами. В системах поддержки принятия решения база моделей состоит из стратегических, тактических, оперативных и математических моделей в виде совокупности модельных блоков и модулей, используемых как элементы для их построения. Стратегические модели используются для установления целей объекта управления и необходимых для их достижения объемов ресурсов. Эти модели обычно детерминистские, описательные и специализированные. Тактические модели применяются для распределения и контроля использования имеющихся ресурсов. Обыч-
15
16
Лисп и Пролог, хотя можно использовать и любой другой известный алгоритмический язык. Оболочка экспертных систем представляет собой готовую программную среду, которая может быть приспособлена к решению определенной проблемы путем создания соответствующей базы знаний. В большинстве случаев оболочки позволяют создавать экспертные системы быстрее и легче в сравнении с программированием.
число, которое может быть представлено в m разрядах – Nmax = Pm -1. Минимальное значащее (не равное 0) число, которое можно записать в s разрядах дробной части – Nmin = P-s. Тогда, имея в целой части числа m, а в дробной s разрядов, можно представить Pm+s чисел от 0 до Pm+s -1. Поскольку в технике известно много физических приборов и сред с двумя устойчивыми состояниями, в качестве алфавита языка ЭВМ приняты символы 0 и 1, названные двоичными цифрами. Последовательности нулей и единиц конечной длины образуют двоичные числа, которые, в свою очередь, образуют позиционную двоичную систему счисления. В вычислительных машинах применяются две формы представления двоичных чисел – естественная форма или форма с фиксированной запятой (точкой) и нормальная форма или форма с плавающей запятой (точкой). В естественной форме положение в разрядной сетке (общее число разрядов, отведенное для представления чисел, с указанием местоположения каждого из них) запятой, отделяющей целую часть числа от дробной части, постоянно для всех чисел. Диапазон значащих чисел небольшой и при m-разрядной целой части и s-разрядной дробной части числа без учета знака составляет от P-s до Pm - P-s. Кроме того, если в результате операции получится число, выходящее за допустимый диапазон, происходит переполнение разрядной сетки, и дальнейшие вычисления теряют смысл. Следовательно, необходимо прогнозировать результаты обработки с целью соответствующего масштабирования исходных данных. По этим причинам естественная форма представления используется как вспомогательная и только для целых чисел. В нормальной форме каждое число представляется как N = ±MP±R, где М – мантисса числа (|M|<1), R – порядок (целое число), Р – основание системы счисления. Абсолютное значение порядка определяет число разрядов, на которое смещена запятая, отделяющая целую часть числа от дробной части, а знак порядка – направление смещения этой запятой. Таким образом, с изменением значения порядка запятая меняет своё положение, как бы «плавает» в изображении числа. Диапазон значащих чисел весьма велик и при m-разрядной мантиссе и sразрядном порядке (без учета знаков порядка и мантиссы) составляет
3. Информационно-логические основы построения ЭВМ Основной технической базой информационных технологий является персональный компьютер (ПК). Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Термин «персональный» определяет настольный или переносной вариант исполнения компьютера, удовлетворяющий требованиям общедоступности и универсальности применения. Современный рынок компьютерной техники весьма разнообразен, поэтому для выбора ПК с требуемыми характеристиками необходимы специальные знания. 3.1. Представление информации в ЭВМ Наиболее удобным средством представления информации, с точки зрения автоматизации процессов ее обработки, является язык чисел. Любой язык чисел определяется системой счисления. Система счисления – способ наименования и изображения чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения. Различают непозиционные и позиционные системы счисления. В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в числе. Тем самым исключается всякая возможность автоматизации распознавания чисел и, как следствие, обработки информации. Этого недостатка лишена позиционная система счисления, в которой значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. Позиционные системы счисления характеризуются: • основанием Р системы счисления – количеством (Р) различных символов, используемых для изображения чисел. Значения этих символов лежат в пределах от 0 до Р-1; • разрядом – позицией, занимаемой отдельным символом в изображении числа. Разряды нумеруются справа налево, начиная с 0; • весом разряда – количественным значением одной единицы разряда. Численно вес разряда определяется через основание Р системы счисления и номер i разряда: Рi. Таким образом, максимальное целое
s
s
от P − ( m + P −1) до (1- P-m) P P −1 . В связи с этим нормальная форма представления является основной в современных ЭВМ. В соответствии с двоичным представлением в информатике введены специальные единицы измерения объемов информации, хранимой или обрабатываемой в ЭВМ (табл. 3.1). Последовательность нескольких битов или байтов часто называют полем данных. В ПК могут обрабатываться поля постоянной и перемен-
17
18
Таблица 3.1. Единицы измерения объемов данных Кол. 8⋅1024 8⋅10242 8⋅10243 8⋅10244 8 16 двоич. 1 10 (8⋅2 ) (8⋅220) (8⋅230) (8⋅240) разрядов Ед. из- Бит Байт Параграф Килобайт Мегабайт Гигабайт Терабайт мерения (Кбайт) (Мбайт) (Гбайт) (Тбайт)
десятичными числами. В распакованном формате для каждой десятичной цифры отводится байт, представляющий собой (кроме младшего байта) адрес соответствующей ячейки таблицы символов. В старшем полубайте адреса кодируется номер столбца, а в младшем – номер строки этой таблицы. Старший полубайт младшего (правого) байта используется для кодирования знака. Распакованный формат используется в ПК при вводе-выводе информации. Поля переменной длины могут иметь любой размер от 0 до 256 байт, но обязательно равный целому числу байтов.
ной длины. Поля постоянной длины могут быть следующих размеров (форматов): слово (4 байта), полуслово (2 байта), полуторное слово (6 байт), двойное слово (8 байт), расширенное слово (10 байт). В полях постоянной длины числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат слова (рис.3.1а) и полуслова и заполняют формат справа налево. Оставшиеся свободными старшие разряды формата заполняются нулями. В крайнем левом разряде формата отображается знак числа, при этом знак «+» кодируется нулем, а знак «-» – единицей. Числа с плавающей запятой чаще всего имеют формат двойного (рис.3.1б) и расширенного слова. Порядок заполняет соответствующую часть формата справа налево, а мантисса – слева направо. Оставшиеся свободными младшие разряды мантиссы формата заполняются нулями.
№ разряда
Знак 31
30
29
Абсолютная величина числа ...
1 0
а
№ разряда
Порядок Мантисса Знак Абс. величина Знак Абс. величина 63 62 56 55 54 0 ... ...
б Рис. 3.1. Структура формата слово со знаком для чисел с фиксированной (а) и плавающей (б) запятой При выполнении операций ввода-вывода данные часто представляются в двоично-десятичной системе счисления – когда каждая цифра десятичного числа отображается 4-разрядным двоичным числом. Двоично-десятичные числа представляются полями переменной длины в так называемых упакованном и распакованном форматах. В упакованном формате для каждой десятичной цифры отводится 4 двоичных разряда, при этом знак числа кодируется в крайнем правом полубайте (1100 – знак «+» и 1101 – знак «-»). Упакованный формат используется обычно в ПК при выполнении арифметических операций над двоично-
3.2. Кодирование чисел двоичным кодом Исходные данные представляются обычно в привычных для человека десятичных числах. При программировании используется также и другая позиционная система счисления – шестнадцатеричная, дающая более компактное изображение чисел. Символами 16-ричной системы счисления являются 10 арабских цифр от 0 до 9 и 6 латинских букв: A = 1010, B = 1110, C = 1210, D = 1310, E = 1410, F = 1510, где нижний индекс показывает основание системы счисления, в которой записано данное число. Очевидно, что как для взаимного преобразования, так и обработки таких данных на ЭВМ необходима процедура кодирования. Кодированием называется преобразование данных из одного алфавита в эквивалентный другой алфавит путём использования символов этого другого алфавита. Целые десятичные числа кодируются числами системы счисления с основанием Р ≠ 10 путём последовательного деления десятичного числа на Р до тех пор, пока частное не окажется меньше Р. Остаток от i-го деления (i = 1, 2, …) при использовании символов Р-ичной системы счисления заносится в (i-1)-й разряд формируемого числа. Последнее частное образует старший (левый) разряд Р-ичного числа. Дробная часть десятичных чисел представляется в системе счисления с основанием Р ≠ 10 путём последовательного умножения на Р. При этом целая часть j-го произведения (j = 1, 2, …) заносится в (-j)-й разряд дробной части Р-ичного числа, а оставшаяся дробная часть произведения вновь умножается на Р и т.д. Указанная процедура повторяется до тех пор, пока не будет обеспечено достаточное количество цифр Р-ичного числа или дробная часть не станет равной нулю. Понятие веса разряда позволяет легко перейти от Р-ичных чисел к десятичным числам: N10 = am-1Pm-1 + am-2Pm-2 + … + a1P1 + a0P0 + a-1P-1 + a-2P-2 + … + a-sP-s, где аi – значение i-го разряда целой (m-разрядной), а а-i – (-i)-го разряда дробной (s-разрядной) части числа.
19
20
Переход от двоичных чисел к 16-ричным производится по следующему правилу. Двоичное число, начиная с младших разрядов, разбивается на тетрады (четверки символов), каждая из которых записывается символами 16-ричной системы счисления. Если длина числа не кратна четырём, то оно дополняется старшими нулевыми разрядами. Переход от 16-ричных чисел к двоичным производится в обратном порядке.
1) х ∨ х = х, 4) х ∨ х = 1, 7) х ∨ 1 = 1, 10) х ∨ 0 = х, 2) х ∧ х = х, 5) х ∧ х = 0, 8) х ∧ 1 = х, 11) х ∧ 0 = 0, 3) х ⊕ х = 0, 6)х ⊕ х = 1, 9) х ⊕ 1 = х, 12) х ⊕ 0 = х. Здесь символ ∨ обозначает операцию «дизъюнкция», символ ∧ – операцию «конъюнкция», а символ ⊕ – операцию «сумма по модулю два».
3.3. Логические основы построения ЭВМ Для анализа и синтеза (создания) цифровых систем используется математический аппарат алгебры логики. Алгебра логики – это раздел математической логики, все элементы (функции и аргументы) которой могут принимать только два значения: 0 и 1. Функция, однозначно определяющая соответствие каждой совокупности значений аргументов нулю или единице, называется функцией алгебры логики (ФАЛ). ФАЛ представляет собой алгебраическое выражение, содержащее переменные-аргументы, связанные между собой логическими операциями. Любая ФАЛ состоит из одной или более элементарных ФАЛ. Элементарной называется ФАЛ одного или двух аргументов, в логическом выражении которой содержится не более одной логической операции. Основные из элементарных ФАЛ приведены в табл. 3.2. Старшей является операция инверсии, более младшей – операция конъюнкции, самой младшей – операции типа дизъюнкции. Технически ФАЛ реализуются специальными электрическими схемами, называемыми логическими элементами. Название и условное графическое обозначение (УГО) логических элементов также приведены в табл. 3.2. Логические элементы изготавливаются в виде интегральных микросхем, причем один корпус микросхемы содержит, как правило, несколько независимых однотипных логических элементов. С целью упрощения устройств цифровых систем или применения в них однотипных логических элементов, соответствующие ФАЛ преобразовывают, используя при этом законы и тождества алгебры логики: − сочетательный закон: a∧(b∧с) = (а∧b) ∧с, а∨(b∨с) = (а∨b)∨с, а ⊕ (b ⊕ с) = (а ⊕ b) ⊕ с; − переместительный закон: а∧b = b∧а, а∨b = b∨а, а ⊕ b = b ⊕ а; − распределительный закон: а∧(b∨с) = (а∧b)∨(а∧с), а∨(b∧с) = (а∨b)∧(а∨с), а∧(b⊕ с) = (а∧b)⊕ (а∧с); − закон двойной инверсии: а = а; − закон двойственности (правила де Моргана): а∨b = а∧b, а∧b = а∨b; − закон поглощения: а ∨ а∧с = а, a∧(a∨c) = a; − закон склеивания: а∧с ∨ a∧c = a, (a∨с)∧(a∨c) = a; − тождества:
Таблица 3.2. Основные функции и операции алгебры логики и их техническая реализация Логический элеПравило выполОперация Функция мент нения операции УГО Название a b y Отрицание (ин- а версия)
1
НЕ
у (инвертор)
Дизъюнкция
a 1 b
Конъюнкция
a & у b
Стрелка Пирса
a 1 b
Штрих Шеффера
a & у b
И-НЕ
Сумма по модулю 2
a =1 у b
Исключающее ИЛИ
у
ИЛИ
И
у ИЛИ-НЕ
Равно- a =1 у Равнозначность b значность
1 0
0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1
у= х
у = a∨b
у = a∧b
у = a↓b = a∨b
у = a | b = a∧b
у = a⊕ b = a∧b ∨ a∧b
у = a∾b = a⊕ b = a∧b ∨ a∧b
21
22
3.4. Арифметические операции в ЭВМ Среди арифметических операций основными являются операции сложения и вычитания, поскольку помимо самостоятельного значения, они лежат в основе операций умножения и деления, соответственно. Сложение производится поразрядно, начиная с младших разрядов. Если сумма Si чисел i-х разрядов двух слагаемых превышает или равна основанию Р системы счисления, то в i-й разряд суммы записывается разность Si - Р, а к следующим (i +1)-м разрядам слагаемых переносится 1 в виде дополнительного слагаемого. С целью удобства технической реализации операция вычитания заменяется операцией сложения. При этом исходные операнды (числа, участвующие в операции) должны быть представлены в обратном или в дополнительном коде. Обратный и дополнительный коды положительного числа, есть само число. Обратный код отрицательного числа получается путём вычитания цифры каждого его разряда из числа (Р-1), где Р – основание данной системы счисления. Применительно к двоичным числам эта операция равносильна инвертированию. Код представления результата определяется по следующему правилу. Если перенос из старшего разряда равен 1, то результат положителен, представлен в прямом коде, но на 1 меньше истинного. В противном случае результат отрицателен и представлен в обратном коде. Дополнительный код отрицательного числа образуется в результате арифметического добавления 1 к его обратному коду. Код представления результата определяется по следующему правилу. Если перенос из старшего разряда равен 1, то результат положителен и представлен в прямом коде. В противном случае результат отрицателен и представлен в дополнительном коде. Обратные преобразования производятся по тем же правилам. В силу большей простоты представления результата вычитания, в ЭВМ используется дополнительный код. Для чисел с плавающей запятой при выполнении операций сложения и вычитания сначала выравниваются порядки, затем выполняется заданная операция над мантиссами и, наконец, производится нормализация результата. Выравнивание порядков заключается в сдвиге вправо мантиссы числа с меньшим порядком на количество разрядов, равное абсолютной величине разности порядков двух чисел. С каждым сдвигом значение порядка увеличивается на единицу, а освободившиеся старшие разряды заполняются нулями.
Нормализацией называется выбор такого значения порядка, при котором старший разряд мантиссы имеет значение 1. При нормализации возможны две ситуации: − результат меньше 1/2, то есть старшие разряды мантиссы нулевые. Если при этом результат представлен в прямом коде, мантисса сдвигается влево до тех пор, пока первая значащая 1 не окажется в старшем разряде. Если же результат представлен в обратном или дополнительном коде (отрицательный), производится сдвиг влево до появления в старшем разряде первого значащего нуля. При каждом сдвиге значение порядка уменьшается на 1; − результат больше 1, то есть разрядная сетка переполнена. В этом случае мантисса сдвигается вправо на один разряд с одновременным увеличением порядка на 1. Остается отметить, что правила выполнения основных арифметических операций, приведенные в данном подразделе, справедливы для чисел любой позиционной системы счисления. 3.5. Принцип программного управления ЭВМ Решение задач на ЭВМ реализуется программным способом, то есть путем последовательного выполнения над данными отдельных операций, предусмотренных алгоритмом решения задачи. Алгоритм – это точно определенная последовательность действий, которые необходимо выполнить над исходными данными, чтобы получить решение задачи. Алгоритм решения задачи, заданный в виде последовательности команд на языке ЭВМ, называется машинной программой. Команда машинной программы (машинная команда) – это элементарная инструкция машине, выполняемая автоматически без каких-либо дополнительных указаний и пояснений. Машинная команда состоит из двух частей: операционной и адресной. Операционная часть команды – это группа разрядов в команде, предназначенная для представления кода операции машины. Адресная часть команды – это группа разрядов в команде, в которых записываются коды адреса (адресов) ячеек памяти машины, предназначенных для оперативного хранения операндов. В зависимости от количества адресов, записываемых в команде, различают безадресные, одно-, двух- и трехадресные команды. Типовые структуры команд показаны на рис. 3.2, где КОП – код операции машины. В трехадресной КОП а1 а2 а3 КОП а1 а2 КОП а1 команде (рис. 3.2а) а1 и а б в а2 – адреса ячеек, где расположены соответРис. 3.2. Типовые структуры команд
23
24
ственно первый и второй операнды, а а3 – адрес ячейки, куда следует поместить результат выполнения операции. В двухадресной команде (рис. 3.2б) а1 – обычно адрес ячейки, где хранится первый операнд и куда должен быть записан результат выполнения операции, а а2 – обычно адрес ячейки, где хранится второй операнд. В одноадресной команде (рис. 3.2в) а1 в зависимости от модификации команды может обозначать либо адрес ячейки, где хранится один из операндов, либо адрес ячейки, куда следует поместить результат выполнения операции. Безадресная команда содержит только код операции, а информация для нее должна быть заранее помещена в определенные ячейки (регистры) машины. По виду выполняемых операций все машинные команды можно разделить на 6 групп: − команды пересылки данных внутри ЭВМ; − команды арифметических операций; − команды логических операций; − команды обращения к внешним устройства ЭВМ; − команды передачи управления. Служат для изменения естественного порядка выполнения команд. Бывают операции безусловной и условной передачи управления. Операции безусловной передачи управления требуют выполнения после данной команды, не следующей по порядку, а той, адрес которой в явном или неявном виде указан в адресной части. Операции условной передачи управления требуют тоже передачи управления по адресу, указанному в адресной части команды, но лишь в том случае, если выполняется некоторое заранее оговоренное для этой команды условие. Это условие в явном или неявном виде указано в коде операции; − обслуживающие и вспомогательные команды. Функциональные возможности ПК можно разделить на основные и дополнительные. Основные функции определяют назначение ЭВМ: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают эффективные режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и многое другое. Названные функции реализуются с помощью аппаратных и программных средств. Эти средства принято рассматривать отдельно, поскольку очень часто решение одних и тех же задач может обеспечиваться как теми, так и другими средствами.
4. Аппаратные средства ПК 4.1. Базовая аппаратная конфигурация Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его конфигурация (состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которая включает системный блок, монитор, клавиатуру и мышь. В таком типовом комплекте компьютер обычно поставляется. Системный блок – основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи – внешними или периферийными. По внешнему виду блоки различаются формой корпуса. Корпуса выпускают в горизонтальном (desktop) и вертикальном (tower) исполнении. Важным параметром корпуса является форм-фактор. От него зависят требования к размещаемым устройствам. Форм-фактор корпуса должен быть обязательно согласован с форм-фактором главной (системной) платы компьютера, так называемой материнской платы. Корпуса ПК поставляются вместе с блоком питания, мощность которого также является одним из параметров корпуса. Для массовых моделей достаточна мощность 200-250 Вт. Монитор – устройство визуального представления вводимой и выводимой информации. Его основными потребительскими параметрами являются размер, максимальная частота регенерации (обновления) изображения и разрешающая способность. Размер монитора измеряется между противоположными углами трубки кинескопа (по диагонали). Единица измерения – дюймы. Наиболее универсальными являются мониторы размером 15" и 17", а для операций с графикой желательны мониторы размером 19-21дюйм. Частота регенерации (частота кадров, частота кадровой развертки) показывает, сколько раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение. Чем ниже частота кадров, тем больше мерцание экрана и, как следствие, возрастает усталость глаз. Нормативной считается частота кадров 85 Гц, а комфортной – 100 Гц и выше. Изображение на экране формируется из отдельных мозаичных элементов – пикселей. Количество пикселей, размещающихся по горизонтали и по вертикали на экране монитора, определяет его разрешающую способность. Чем больше разрешающая способность, тем четче и точнее полученное изображение. Стандартные значения разрешающей способности: 800×600, 1024×768, 1600×1200, но реально могут быть и иные значения. Клавиатура служит для ввода алфавитно-цифровых данных, и команд управления. В сочетании с монитором образует простейший
25
26
Функциональные клавиши Алфавитно-цифровые клавиши
Клавиши управления курсором
Малая цифровая клавиатура
Пробел Рис. 4.1. Структура типовой клавиатуры интерфейс пользователя. Все 101 клавиши типичной клавиатуры можно разбить на 5 групп (рис. 4.1). Для алфавитно-цифровых клавиш имеется две пары регистров: верхний/нижний и латинский/русский. Переключение между нижним регистром (ввод строчных символов) и верхним регистром (ввод прописных символов) выполняется удержанием клавиши <Shift> (нефиксированное переключение). При необходимости закрепления режима ввода прописных символов используется клавиша
. Изменение раскладки (присвоение клавишам символов кириллицы или латиницы) клавиатуры производится аккордом (совместным нажатием) клавиш +<Shift> или +<Shift>. При вводе данных абзац закрывают нажатием клавиши <Enter>, при этом автоматически начинается ввод с новой строки. При вводе команд клавишей <Enter> завершают ввод команды и начинают ее исполнение. Функциональные клавиши – предназначены для различных специальных действий. Их функции зависят от конкретной работающей в данный момент программы. К служебным клавишам (на рис. 4.1 не помечены) относятся клавиши <Shift> и <Enter>, и (используются в комбинации с другими клавишами для формирования команд), (для ввода позиций табуляции при наборе текста), <Esc> (для отказа от исполнения последней введенной команды), (для удаления символов, расположенных слева от курсора, при одновременном смещении курсора влево), (печать текущего состояния экрана на принтере), <Scroll Lock> (переключение режима работы в некоторых программах) и <Pause/Break> (приостановка/прерывание текущего процесса). Клавиши управления курсором (экранный символ, обычно в виде жирной вертикальной черты, указывающий место ввода символьной информации) позволяют управлять позицией ввода символьной информации. Четыре клавиши со стрелками выполняют смещение курсора в направлении, указанном стрелкой. Клавиши и переводят
курсор на одну страницу (обычно на 25 строк) вверх и вниз, соответственно. Клавиши и <End> переводят курсор, соответственно, в начало и конец текущей строки. Клавиша управляет режимами ввода данных: в режиме вставки ввод новых символов происходит без замены существующих (текст как бы раздвигается); в режиме замены новые символы заменяют существующие. Клавиша () предназначена для удаления символов, находящихся справа от курсора. При этом положение позиции ввода остается неизменным. Клавиши малой цифровой клавиатуры дублируют цифровые, некоторые знаковые и служебные, а также клавиши управления курсором. Для использования этой группы клавиш следует предварительно включить клавишу-переключатель . Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического объекта (указателя мыши) на экране монитора. Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и кратковременными нажатиями (щелчками) правой и левой ее кнопок. Комбинация монитора и мыши обеспечивает графический интерфейс пользователя. 4.2. Структура системного блока К типовым внутренним устройствам системного блока (рис. 4.2) относятся материнская плата, жесткий диск, накопители внешней памяти (НВП), видеоадаптер и звуковая карта. Процессор
Основная память
Чипсет
Память CMOS
Жесткий диск
НВП
Системная шина Видеоадап- Звуковая тер карта
Адаптеры периферийных устройств ввода, вывода, хранения и обмена данными
Рис. 4.2. Структурная схема системного блока ПК В состав материнской платы входят следующие устройства (на рис. 4.2 выделены затенением): • процессор – основная микросхема ПК, управляющая работой всех блоков машины и выполняющая арифметические и логические операции над данными; • основная память – набор микросхем, предназначенных для хра-
27
28
нения данных; • микропроцессорный комплект (чипсет) – набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы; • память CMOS – микросхема «энергонезависимой памяти», хранящей системные часы, календарь, а также данные о гибких и жестких дисках, процессоре и некоторых других устройствах материнской платы; • системная шина обеспечивает сопряжение и связь всех устройств ПК между собой; • адаптеры периферийных устройств – микросхемы, управляющие обменом информацией с внешними устройствами ПК. Жесткий диск («винчестер») – основное устройство для долговременного хранения больших объемов данных и программ. Представляет группу соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Управляют работой «винчестера» микросхемы, входящие в состав чипсета. К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и производительность. В настоящее время достигнут технологический уровень порядка 20 Гбайт на пластину. Производительность (скорость внутренней передачи данных) в зависимости от типа интерфейса, связывающего «винчестер» с материнской платой, для наиболее современных из них – типа IEEE, составляет от 50 Мбайт/с и выше. Для повышения производительности «винчестер» кэшируют. КЭШ-память недоступна для пользователя и служит быстродействующим буфером памяти (промежуточной памятью) для кратковременного хранения информации, считываемой или записываемой на диск. Кэширование исключительно полезно в тех случаях, когда программа неоднократно читает с диска одни и те же данные. После того как они один раз будут помещены в кэш, обращений к диску больше не потребуется. С КЭШ-памятью производительность «винчестера» может превышать 100 Мбайт/с. С производительностью диска напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и тем меньше, чем больше скорость вращения диска. Так, для дисков с частотой вращения 7200 об/мин среднее время доступа составляет 7-8 мкс. Накопители (дисководы) внешней памяти обеспечивают транспортировку данных и программ с одного компьютера на другой. Существуют дисководы гибких дисков и компакт-дисков CD-ROM. Параллельно со стандартными дисководами CD-ROM, работающими только в режиме чтения, существуют и устройства однократной записи CD-R, и устройства многократной записи CD-RW. Основным параметром дисководов компакт дисков является скорость чтения/записи данных.
Она измеряется в долях, кратных скорости чтения в первых серийных образцах (150 Кбайт/с) – 32х (4800 Кбайт/с), 48х (7200 Кбайт/с) и т.д. Видеоадаптер выполнен в виде отдельной платы, которая вставляется в один из слотов (разъемов) материнской платы и называется видеокартой. Для каждого размера монитора видеоадаптер обеспечивает свое оптимальное разрешение экрана: 14" – 640×480, 15" – 800×600, 17" – 1024×768, 19" – 1280×1024. Кроме того, видеоадаптер обрабатывает изображение чисто аппаратным путем, устраняя необходимость выполнения математических вычислений. Тем самым снижается нагрузка на процессор компьютера. Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему ПК. Звуковая карта подключается к одному из слотов материнской платы и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель и далее на звуковые колонки. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования. Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой (непрерывной) формы в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем выше качество звучания. Наибольшее распространение на сегодняшний день имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства. 4.3. Основные системы материнской платы Процессор – функционально законченное программно-управляемое устройство обработки данных, выполненное в виде одной или нескольких больших (БИС) либо сверхбольших (СБИС) интегральных схем. В зависимости от набора команд, которые может выполнить процессор над данными – системы команд, различают процессоры с полным набором команд (типа CISC) и с сокращенным набором команд (типа RISC). Система команд CISC-процессоров в настоящее время насчитывает более тысячи различных команд, что позволяет использовать их в универсальных вычислительных системах. Однако на выполнение даже самой короткой команды требуется не менее четырех тактов работы процессора. RISC-процессоры содержат набор только простых, чаще всего встречающихся в программах команд. На выполнение каждой такой команды тратится 1 машинный такт. Однако сложные операции приходится реализовывать последовательностями простейших команд, которые часто оказываются далеко не эффективными. Поэтому RISC-процессоры используются в специализированных вычислительных системах или устройствах, ориентированных на выполнение еди-
нообразных операций. Для ПК в последнее время ориентируются на выпуск процессоров, основная часть которых (ядро) выполняется по RISC-архитектуре, а внешняя – по архитектуре CISC. Функционально процессор состоит из двух частей: − операционной, содержащей устройство управления, арифметико-логическое устройство (АЛУ) и процессорную память; − интерфейсной, содержащей адресные регистры процессорной памяти, блок регистров команд, схему управления системной шиной и портами. Регистры – сверхбыстродействующие ячейки памяти. Порт – аппаратура сопряжения, позволяющая подключить к данному устройству другое устройство. Упрощенная функциональная схема устройства управления показана на рис. 4.3. В регистре команд хранится код команды. Расположен
ресной части команды и содержимому регистров процессорной памяти вычисляет полный адрес ячейки основной оперативной памяти. По шине адреса передается адрес, указывающий на одну из ячеек основной оперативной памяти. По шине данных происходит копирование данных из основной оперативной памяти в регистры процессора и обратно, а также команд из той же оперативной памяти. АЛУ предназначено для выполнения арифметических и логических операций над данными. Функционально АЛУ (рис. 4.4) состоит обычно из двух регистров, сумматора и местного устройства управле-
Шина управления
Шина данных
Дешифратор операций
Узел формирования адреса
КОП Адреса операндов Регистр команд
Шина адреса
ПЗУ микропрограмм
От процессорной памяти
Рис. 4.3. Упрощенная функциональная схема устройства управления он в блоке регистров команд интерфейсной части процессора. Дешифратор операций – логический блок, активизирующий в соответствии с поступающим из регистра команд кодом операции (КОП) один из множества имеющихся у него выходов. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропрограмм хранит в своих ячейках управляющие сигналы (импульсы), необходимые для выполнения в блоках ПК операций обработки информации. Импульс, сформированный дешифратором операций, считывает из ПЗУ микропрограмм необходимую совокупность управляющих сигналов, которая передается через шину (группа проводников) управления во все блоки машины. Узел формирования адреса (находится в интерфейсной части процессора) по ад-
Регистр 1 (аккумулятор) Регистр 2
УУ
Сумматор
Шина управления
30
Шина данных
29
Рис. 4.4. Функциональная схема АЛУ ния (УУ). Сумматор – вычислительная схема, выполняющая процедуру сложения двоичных чисел. Сумматор имеет разрядность двойного машинного слова. Регистр 1 (Рг1) имеет разрядность двойного слова, а регистр 2 (Рг2) – разрядность слова. При выполнении операций в Рг1 помещается первый операнд, а по завершении операции – результат; в Рг2 – второй операнд. Принимать информацию с шины данных могут оба регистра, а выдавать в нее информацию – только Рг1. УУ принимает по шине управления управляющие сигналы от устройства управления процессора и преобразует их в сигналы для управления работой регистров и сумматора. АЛУ выполняет арифметические операции только над целыми двоичными числами. Выполнение операций над числами с плавающей запятой и над двоично-десятичными числами осуществляется с привлечением математического сопроцессора. Процессорная память имеет небольшую емкость, но чрезвычайно высокое быстродействие (время обращение измеряется наносекундами). Она предназначена для хранения информации, непосредственно участвующей в ближайших вычислениях. Процессорная память состоит из быстродействующих регистров с разрядностью не меньшей машинного слова, которые разделяются на специальные регистры и регистры общего назначения. В специальных регистрах хранятся различ-
31
32
ные адреса (например, адреса команд), признаки выполнения операций и режимов работы ПК. Большинство из них программно недоступны. Регистры общего назначения, наоборот, программно доступны и используются для хранения любой информации. Интерфейсная часть процессора предназначена для его связи и согласования с системной шиной ПК, а также для приема, предварительного анализа команд выполняемой программы и формирования полных адресов операндов и команд. Обмен информацией процессора с другими устройствами производится посредством портов ввода-вывода и с помощью схемы управления системной шиной и портами. Всего портов может быть 65536. Каждый порт имеет адрес (номер), соответствующий адресу ячейки памяти, которая является частью устройства ввода-вывода, использующего этот порт, а не частью основной памяти ПК. Порт устройства содержит аппаратуру сопряжения и два регистра памяти, один из которых предназначен для обмена данными, а другой – для обмена управляющей информацией. Некоторые внешние устройства используют и основную память для хранения больших объемов информации, подлежащей обмену. Многие стандартные устройства, как НВП, клавиатура, принтер, имеют постоянно закрепленные за ними порты ввода-вывода. Схема управления системной шиной и портами выполняет следующие функции: − формирование адреса управляющей информации для порта (переключение порта на прием или передачу и другие); − прием управляющей информации от порта, информации о готовности порта и его состоянии; − организацию сквозного канала в системном интерфейсе для передачи данных между портом устройства ввода-вывода и процессором. Схема управления системной шиной и портами использует для связи с портами все три шины процессора. При доступе к порту процессор посылает сигнал по шине управления, который оповещает все устройства ввода-вывода, что адрес на шине адреса является адресом порта, а затем посылает и сам адрес порта. Устройство, адрес порта которого совпадает, дает ответ о готовности, после чего по шине данных осуществляется обмен данными. Основная память содержит оперативное (ОЗУ) и постоянное (ПЗУ) запоминающие устройства. ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, стирается. Основу ОЗУ составляют БИС, содержащие матрицы ячеек
памяти. Ячейки расположены на пересечении вертикальных и горизонтальных линий матрицы. При обращении к конкретной ячейке памяти соответствующий адрес преобразуется в ОЗУ в электрические импульсы по тем линиям матрицы, которые соединены с выбранной ячейкой. Микросхема ПЗУ способна длительное время хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящихся в ПЗУ, записывают («зашивают») на этапе изготовления микросхемы. Этот пакет программ образует базовую систему ввода-вывода (BIOS). Основное его назначение состоит в проверке состава и работоспособности компьютерной системы, а также в обеспечении взаимодействия с клавиатурой монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Поэтому сразу после включения на адресной шине процессора выставляется всегда один и тот же адрес, указывающий на ПЗУ. Программы, входящие в BIOS, позволяют нам не только наблюдать на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, но и вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры. В ходе работы все программы пользователя и соответствующие данные размещаются в ОЗУ. Таким образом, чем больше емкость ОЗУ, тем реже возникает необходимость обращения к «винчестеру» и, следовательно, выше скорость обработки информации. Энергонезависимая память CMOS (названа по технологии изготовления) от ОЗУ отличается тем, что ее содержимое не стирается при выключении компьютера, а от ПЗУ – тем, что данные в нее можно заносить и изменять самостоятельно, в соответствии с изменением состава оборудования. Относительно внешних устройств этими данными являются драйверы. Драйвер – специальная программа, управляющая данным внешним устройством ЭВМ и организующая обмен информацией между процессором, ОЗУ и внешним устройством. Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить обращение к жесткому диску, а в случае необходимости и к гибкому, и передать управление тем программам, которые там записаны. Микросхема CMOS постоянно подпитывается от небольшого аккумулятора, расположенного на материнской плате. Заряда этого аккумулятора хватает на то, чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер не будут включать несколько лет. Системная шина включает в себя: − шину данных, содержащую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для параллельной передачи разрядов операнда или команды; − шину адреса, включающую электрические проводники и схемы
33
34
сопряжения (входят в чипсет) для параллельной передачи разрядов адреса ячейки основной памяти или порта ввода-вывода внешнего устройства; − шину управления, содержащую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для передачи управляющих сигналов во все блоки машины; − шину питания, имеющую электрические проводники и схемы сопряжения (входят в чипсет) для подключения блоков ПК к системе энергопитания. Системная шина обеспечивает три направления передачи информации: во-первых, между процессором и основной памятью, вовторых, между процессором и портами ввода-ввода внешних устройств, в-третьих, между основной памятью и портами ввода-ввода внешних устройств. Управляют системной шиной логические устройства микросхем чипсета. Важнейшими функциональными характеристиками системной шины являются количество обслуживаемых ею устройств и пропускная способность. Пропускная способность (максимально возможная скорость передачи информации) зависит от разрядности шины и тактовой частоты, на которой шина работает.
− пенмаус представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой установлен узел, регистрирующий величину перемещения; − проводная и беспроводная инфракрасная мышь, у которой отсутствует шарик; − для компьютерных игр применяют манипуляторы рычажнонажимного типа (джойстики) и аналогичные им джойпады, геймпады и штурвально-педальные устройства. Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты и цифровые фотокамеры. Нелишне отметить, что с помощью сканеров можно вводить и символьную информацию. В этом случае исходный материал вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальной программой распознавания образов. Конструктивно сканеры бывают: − планшетные, принцип действия которых состоит в том, что луч света, отраженный от поверхности материала, фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядной связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляются в виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки относительно листа бумаги выполняется механическим протягиванием линейки при неподвижном листе или листа при неподвижной линейке. Типичная разрешающая способность для офисного применения 6001200 dpi (dpi – количество точек на дюйм); − ручные сканеры по принципу действия аналогичны планшетным. Разница лишь в том, что протягивание линейки ПЗС в данном случае выполняется вручную. Равномерность и точность сканирования при этом неудовлетворительные. Кроме того, разрешающая способность составляет 150-300 dpi; − барабанные, в которых исходный материал закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с высокой скоростью. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение (2400-5000 dpi) благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их используют для сканирования высококачественных изображений (фотонегативов, слайдов и т.п.); − сканеры форм предназначены для ввода данных со стандартных форм, заполненных механически или «от руки». Сканеры форм не обладают высокой точностью сканирования, но характеризуются высоким быстродействием; − штрих-сканеры предназначены для ввода данных, закодированных в виде штрих-кода. Графические планшеты (дигитайзеры) предназначены для ввода художественной графической информации. Существует несколько раз-
4.4. Периферийные устройства ПК Периферийные устройства обеспечивают гибкость и универсальность ПК. По назначению периферийные устройства можно разделить на устройства ввода, вывода, хранения и обмена данными. 4.4.1. Устройства ввода данных. Основным устройством ввода символьных данных является клавиатура. Эффективность процесса ввода зависит от формы клавиатуры и раскладки ее клавиш. Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом требований эргономики, называют эргономичными клавиатурами. Они, во-первых, повышают производительность наборщика и снижают общее утомление в течение рабочего дня. Вовторых, снижают вероятность и степень развития ряда заболеваний (туннельного синдрома кистей рук, остеохондроза верхних отделов позвоночника и других). В настоящее время существуют и образцы клавиатур с оптимизированной раскладкой. Однако практическое их внедрение затруднено в связи с необходимостью специального обучения. Среди устройств командного управления, кроме обычной мыши, существуют и другие типы манипуляторов: − трекбол, который устанавливается стационарно и его шарик приводится в движение ладонью руки;
35
36
личных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. Цифровые фотокамеры воспринимают графические данные с помощью ПЗС, объединенных в прямоугольную матрицу. Наилучшие потребительские модели обеспечивают разрешение изображения до 800×1200 точек, а у профессиональных моделей еще выше. 4.4.2. Устройства вывода данных. Помимо монитора используются печатающие устройства (принтеры), позволяющие получать копии документов на бумаге или прозрачном носителе. По принципу действия различают матричные, лазерные, светодиодные и струйные принтеры. Матричные принтеры выводят данные на бумагу в виде оттиска, образующегося при ударе цилиндрических стержней («иголок») через красящую ленту. Качество печати зависит от количества иголок в печатающей головке. Так, 24-игольчатые матричные принтеры по качеству документов не уступают пишущей машинке. Лазерные принтеры по качеству печати не уступают, а во многих случаях и превосходят полиграфическое. Модели среднего класса обеспечивают разрешение печати до 600 dpi, а профессиональные модели – до 1200 dpi. Принцип действия лазерных принтеров заключается в следующем: − в соответствии с поступающими данными лазерная головка испускает световые импульсы, которые отражаются от зеркала и попадают на поверхность светочувствительного барабана. При этом горизонтальная развертка изображения выполняется вращением зеркала; − участки поверхности светочувствительного барабана, получившие световой импульс, приобретают статический заряд; − барабан при вращении проходит через контейнер, наполненный красящим составом (тонером), и тонер закрепляется на участках, имеющих статический заряд; − при дальнейшем вращении барабана происходит контакт его поверхности с бумажным листом, в результате чего тонер переносится на бумагу; − лист бумаги с нанесенным на него тонером протягивается через нагревательный элемент, вследствие чего частицы тонера спекаются и закрепляются на бумаге. Светодиодные принтеры по принципу действия похожи на лазерные. Разница заключается в том, что источником света является линейка светодиодов. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине печатаемой страницы, отпадает необходимость в механизме формиро-
вания горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и дешевле. Типичная величина разрешения печати составляет порядка 600 dpi. В струйных принтерах изображение на бумаге формируется из пятен, образующихся при попадании микрокапель красителя на бумагу. Их выброс происходит под давлением, которое развивается в печатающей головке за счет парообразования. В некоторых моделях капля выбрасывается щелчком в результате пьезоэлектрического эффекта (форма капли более стабильна и близка к сферической). Механическая часть струйных принтеров проста и надежна, однако получаемое разрешение нестабильно, что ограничивает возможность их применения в черно-белой полутоновой печати. В то же время струйные принтеры нашли очень широкое применение в цветной печати. Благодаря простоте конструкции они намного превосходят цветные лазерные принтеры по показателю качество/цена. При разрешении выше 600 dpi они позволяют получать цветные оттиски, превосходящие по качеству цветные отпечатки, получаемые фотохимическими методами. Цена струйных принтеров заметно ниже, чем лазерных, однако стоимость печати одного оттиска на них может быть в несколько раз выше. 4.4.3. Устройства внешнего хранения данных. По типу конструкции все устройства внешней памяти разделяются на ленточные и дисковые. Из ленточных накопителей в ПК используются только накопители на кассетной магнитной ленте. Емкость магнитных кассет (картриджей) не превышает 2 Гбайт. Лентопротяжные механизмы для картриджей называются стримерами. Стримерам характерна малая производительность, недостаточная надежность и низкая стоимость. Поэтому накопители на магнитной ленте используются лишь для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков. Дисковые накопители по типу носителя разделяются на магнитные, оптические и магнитооптические накопители. Носитель – материальный объект, способный хранить информацию. Логическая структура диска включает дорожки сектора и кластеры. Вдоль дорожек (концентрических окружностей) записывается и считывается информация. Каждая дорожка разбита на сектора, в каждом из которых может быть помещено обычно 512 байт. Один или несколько смежных секторов дорожки объединяются в кластер, который является минимальной единицей размещения информации на диске. Накопитель на гибком магнитном диске (флоппи-диск, дискета) конструктивно изготовляется из гибкого пластика (лавсана), покрытого ферролаком (магнитный слой), и помещается в футляр-конверт. Режим
37
38
запрета записи устанавливается специальным переключателем (положение вверх), расположенным в одном из углов футляра. Дискета может иметь тефлоновое покрытие (например, Verbatim), которое предохраняет магнитный слой от грязи, пыли, воды, жира. Каждую новую дискету вначале следует отформатировать. Форматирование – это создание структуры записи информации на поверхности дискеты: разметка дорожек, секторов, записи маркеров и другой служебной информации. Для 3,5" диска число дорожек 80, на каждой дорожке 18 секторов и 9 или 18 кластеров. Емкость дискеты 1,44 Мбайт. Неперезаписываемые оптические диски (CD-ROM) предполагают однократную запись информации лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое диска дорожку с микроскопическими впадинами. Таким образом, создается первичный «мастер-диск». Тиражирование CD-ROM по «мастер-диску» выполняется путем литья под давлением. Емкость CD-ROM может достигать 1,5 Гбайт. На перезаписываемых оптических дисках с однократной (CD-R) и многократной (CD-Е) записью лазерный луч непосредственно в дисководе (устройство для чтения и записи информации) компьютера при записи прожигает микроскопические углубления на поверхности диска под защитным слоем. Дисководы CD-Е способны читать и обычные CDROM. Перспективными являются оптические диски с высокой плотностью записи (DVD). Информация размещается на одной или на обеих сторонах, в одном или в двух слоях. Двухсторонние двухслойные диски позволяют хранить до 17 Гбайт информации в формате MPEG. Перезаписываемые магнитооптические диски (СС-Е) используют лазерный луч для местного разогрева активного слоя диска при записи информации магнитной головкой. Считывание информации выполняется лазерным лучом меньшей мощности, отраженный луч которого на несколько градусов изменяет свое направление в зависимости направления намагниченного участка активного слоя. Магнитооптические диски с однократной записью (CC-WORM) отличаются от обычных магнитооптических накопителей лишь тем, что в них на контрольные дорожки диска наносятся специальные метки, предотвращающие стирание и повторную запись на диск. Емкость магнитооптических дисков достигает 5,2 Гбайт. В ПК используются также диски с высокой плотностью записи, на поверхности которых для более точного позиционирования магнитной головки используется лазерный луч. К таким накопителям относятся: • флоптические диски – выполняют обычную магнитную запись информации, но со значительно большей плотностью размещения дорожек на поверхности диска. Такая плотность достигается ввиду наличия на дисках специальных нанесенных лазерным лучом серводоро-
жек, служащих при считывании/записи базой для позиционирования лазерного луча, и соответственно магнитной головки, жестко связанной с лазером. Стандартная емкость флоптического диска 20,8 Мбайт; • диски сверхвысокой плотности записи (VHD) – используют кроме лазерного позиционирования еще и специальные дисководы, обеспечивающие иную технологию записи/считывания: «перпендикулярного» способа записи вместо обычного «продольного». Емкость таких дисков достигает 10,5 Гбайт.
5. Программное обеспечение ПК 5.1. Процесс создания программного обеспечения Возможности компьютера связаны с используемым программным обеспечением (программами). Программа – упорядоченная последовательность команд компьютера для решения задачи. Программное обеспечение – совокупность программ обработки данных и необходимых для их эксплуатации документов. Процесс создания программ можно представить как последовательность следующих действий: постановка задачи, алгоритмизация решения задачи и программирование. Постановка задачи связана с конкретизацией основных параметров ее реализации, определением источников и структуры входной (исходные данные) и выходной (вид документов, сигналы управления) информации. Алгоритм – система точно сформулированных правил, определяющая процесс преобразования входной информации в выходную информацию за конечное число шагов. В алгоритме отражаются логика и способ формирования результатов решения с указанием необходимых расчетных формул, логических условий и соотношений для контроля достоверности выходных результатов. Алгоритм решения задачи имеет ряд обязательных свойств: • дискретность – разбиение процесса обработки информации на простые этапы (шаги), выполнение которых компьютером или человеком не вызывает затруднений; • определенность – однозначность выполнения каждого шага преобразования информации; • выполнимость – конечность действий алгоритма решения задачи, позволяющая получить желаемый результат за конечное число шагов; • массовость – пригодность алгоритма для решения определенного класса задач. Программирование – теоретическая и практическая деятельность, связанная с созданием программ. Все программы можно разделить на
39
40
два класса – утилитарные программы и программные продукты. Утилитарные программы («программы для себя») предназначены для удовлетворения нужд разработчиков. Чаще всего они играют роль сервиса в технологии обработки данных. Программные продукты (изделия) предназначены для удовлетворения потребностей пользователей и представляют собой комплекс взаимосвязанных программ для решения определенной задачи массового спроса. Как правило, программные продукты требуют сопровождения, которое осуществляется фирмамираспространителями программ (дистрибьюторами), реже – фирмамиразработчиками. Сопровождение программного продукта – поддержка его работоспособности, переход на его новые версии, внесение изменений, исправление обнаруженных ошибок и т.п. 5.2. Классификация программных продуктов По области использования можно выделить три класса программных продуктов: системное программное обеспечение, пакеты прикладных программ, инструментарий технологии программирования. Системное программное обеспечение – совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ. Данный класс программных продуктов тесно связан с типом компьютера и является его неотъемлемой частью. Структура системного программного обеспечения показана на рис. 5.1.
многозадачная (несколько параллельно выполняемых прикладных процессов) операционная система Windows XP. Операционные оболочки – специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами дисковой операционной системы. Примерами операционных оболочек являются Norton Commander и Norton Navigator. Сетевые операционные системы – комплекс программ, обеспечивающий обработку, передачу и хранение данных в сети. Наиболее перспективной является многопользовательская и многозадачная операционная система Unix. Сервисные программы являются расширением базового программного обеспечения и часто называются утилитами. Утилиты – программы, служащие для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров. Наиболее важные из них обсуждаются в разделе 5.4. Пакеты прикладных программ (ППП) – комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса конкретной предметной области. Предметная (прикладная) область – совокупность связанных между собой функций (задач управления), с помощью которых достигается выполнение поставленных целей. Примерная классификация ППП представлена на рис. 5.2.
Системное программное обеспечение Базовое программное обеспечение Операционная система Операционная оболочка Сетевая операционная система
Сервисное программное обеспечение Программы диагностики работоспособности компьютера Антивирусные программы Программы обслуживания дисков Программы архивирования данных Программы обслуживания сети
Рис. 5.1. Классификация системного программного обеспечения Базовое программное обеспечение, как правило, поставляется вместе с компьютнром, а сервисное может быть приобретено дополнительно. Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ и вычислительными ресурсами ЭВМ. На сегодняшний день для ПК все более широкое применение получает
Пакеты прикладных программ Проблемно-ориентированные ППП Методо-ориентированные ППП ППП общего назначения Интеллектуальные системы
ППП автоматизированного проектирования Офисные ППП Программные средства мультимедиа Настольные издательские системы
Рис. 5.2. Классификация ППП К проблемно-ориентированным относятся ППП одинакового функционального назначения (типовые функции управления, структур данных и алгоритмов обработки): автоматизированного бухгалтерского учета, финансовой деятельности, кадровый учет, управления производством, банковские информационные системы и т.п. Для подобного класса программ высоки требования к оперативности обработки данных. ППП автоматизированного проектирования предназначены для поддержания работ, связанных с разработкой чертежей, схем, графическим моделированием и конструированием, созданием иллюстраций и мультфильмов. Широко используются такие продукты, как AutoCAD, Auto Vision.
41
42
Методо-ориентированные ППП обеспечивают независимо от предметной области и функций информационных систем математические (Mathematica, MathCAD, Matlab и др.), статистические (SAS, SPSS, SYSTAT и др.) и другие методы решения задач. Офисные ППП обеспечивают организационное управление деятельностью офиса: • органайзеры (планировщики) (Project, Lotus Organizer и др.) – для планирования рабочего времени, составления протоколов встреч, расписаний, ведения записной и телефонной книжки; • программы-переводчики, средства проверки орфографии и распознавания текста (Stylus Lingo Office и др.); • коммуникационные ППП (Netscape Collabra Share и др.) – для организации взаимодействия с удаленными абонентами или информационными ресурсами сети. ППП общего назначения поддерживают преимущественно информационные технологии конечных пользователей: • настольные системы управления базами данных (Access, Paradox и др.) обеспечивают организацию и хранение локальных баз данных на автономно работающих компьютерах или на файл-сервере и сетевой доступ к ним; • серверы баз данных (Oracle, Microsoft SQL Server и др.) предназначены для создания и использования при работе в сети интегрированных баз данных в архитектуре клиент-сервер; • генераторы (серверы) отчетов (Crystal Info, Profit и др.) – обеспечивают реализацию запросов и формирование отчетов в печатном или экранном виде в условиях сети с архитектурой клиент-сервер; • текстовые процессоры (Word, AmiPro и др.) – автоматическое форматирование документов, вставка рисованных объектов и графики, составление оглавлений и указателей, проверка орфографии, шрифтовое оформление, подготовка шаблонов документов; • табличные процессоры (Excel, Lotus, Quattro Pro) – средства деловой графики, специализированная обработка (встроенные функции, работа с базами данных, статистическая обработка данных и др.); • средства презентационной графики (PowerPoint, AutoDesk Animator Pro и др.) – для создания изображений и их показа на экране, подготовки слайд-фильмов, мультфильмов, видеофильмов, их редактирования, определения порядка следования изображений; • интегрированные пакеты (Microsoft Office, Borland Office и др.) – набор нескольких программных продуктов, функционально дополняющих друг друга, поддерживающих единые информационные технологии, реализованные на общей вычислительной и операционной
платформе. Компоненты интегрированных пакетов (системы управления базами данных, текстовый и табличный процессоры, органайзер, средства поддержки электронной почты, программы создания презентаций, графический редактор) могут работать изолированно друг от друга, но достоинства интегрированных пакетов проявляются при их разумном сочетании друг с другом. Программные средства мультимедиа (Impressionists Collection, Mozart и др.) предназначены для создания и использования аудио- и видеоинформации с целью расширения информационного пространства пользователя. Программные продукты данного класса широко применяются в сфере библиотечного информационного обслуживания, процессе обучения, организации досуга и составляют основу для прикладных обучающих систем, компьютерных игр. Системы искусственного интеллекта (Интерэксперт, Guru) реализуют отдельные функции интеллекта человека. Основными компонентами этих систем являются база знаний, интеллектуальный интерфейс с пользователем и программа логических выводов. Интеллектуальный интерфейс, как правило, включает диалоговый процессор на естественном языке; планировщик, преобразующий описание задачи в программу решения на основе информации базы знаний; монитор, осуществляющий управление компонентами интерфейса. Разработка систем искусственного интеллекта идет по следующим направлениям: − программы-оболочки для создания экспертных систем путем наполнения баз знаний и правил логического вывода; − готовые экспертные системы для принятия решений в рамках определенных предметных областей; − системы анализа и распознавания речи и др. Настольные издательские системы (PageMaker, CorelDraw, Photoshop и др.) включают программы, обеспечивающие информационную технологию компьютерной издательской деятельности: форматирование и редактирование текстов, автоматическую разбивку текста на страницы, создание заголовков, компьютерную верстку печатной страницы, монтирование графики, подготовку иллюстраций и т.п. Инструментарий технологии программирования – программные продукты поддержки (обеспечения) технологии программирования. Структура инструментария технологии программирования представлена на рис. 5.3. Средства для создания приложений – совокупность языков и систем программирования, а также различные программные комплексы для отладки и поддержки создаваемых программ. Язык программирования – формальный язык для описания алго-
43
44
Инструментарий технологии программирования Средства для создания приложений Локальные средства
Интегрированные системы
Языки программирования Инструментальная среда пользователя
Средства для создания информационных систем (CASE-технология) Встроенные в систему реализации Независимые от системы реализации
Рис. 5.3. Классификация инструментария технологии программирования ритма решения задачи на компьютере. Языки программирования по синтаксису образования их конструкций можно условно разделить на следующие классы: − машинные (машинные коды), воспринимаемые аппаратной частью ЭВМ; − машинно-ориентированные (ассемблеры), отражающие структуру конкретного типа процессора; − алгоритмические (Паскаль, Си и др.), отражающие структуры алгоритма и не зависящие от типа процессора; − проблемно-ориентированные (Лисп, Симула и др.), предназначенные для решения задач определенного класса. Для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты: • транслятор – программа, автоматически преобразующая исходный текст в промежуточный объектный код (двоичный файл с расширением .obj). Трансляция может выполняться с использованием компиляторов или интерпретаторов. Компилятор полностью обрабатывает весь текст программы, отыскивает синтаксические и семантические (смысловые) ошибки и при их отсутствии генерирует объектный код. Интерпретатор анализирует структуру каждого очередного оператора языка и затем сразу его исполняет. Нередко компилятор выполняет оптимизацию, в результате чего законченная программа работает в сотни раз быстрее программы, выполняемой с помощью интерпретатора; • редактор связей (компоновщик) – программа, связывающая объектные модули (объектные коды отдельных исходных текстовых файлов большой программы) и добавляющая к ним машинные коды под-
программ, реализующих различные стандартные функции. На выходе компоновщика формируется исполнимый код, который можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ехе или .com. Инструментальная среда пользователя представлена специальными средствами: библиотека функций, макрокоманды и многое другое. Интегрированные системы программирования предназначены для повышения производительности труда программистов. Они включают в себя: − текстовый редактор, где ключевые слова и идентификаторы выделяются разными цветами и шрифтами и, кроме того, автоматически проверяется правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода; − компилятор, редактор связей и библиотеки функций; − отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения с целью обнаружения и устранения ошибок. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста по шагам, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных. В интегрированных системах все этапы создания программы автоматизированы: после того как исходный текст введен, его компиляция и сборка выполняются одним нажатием клавиши. Процесс компиляции демонстрируется на экране, где выдаются и сообщения о найденных ошибках. CASE-технология – программный комплекс, автоматизирующий весь технологический процесс анализа, проектирования, разработки и сопровождения сложных программных систем. Основное достоинство CASE-технологии – поддержка коллективной работы над проектом за счет возможности работы в локальной сети разработчиков, экспорта/импорта любых фрагментов проекта, организационного управления проектом. Средства CASE-технологий делятся на две группы: • встроенные в систему реализации – все решения по проектированию и реализации привязаны к выбранной системе управления базами данных; • независимые от системы реализации – все решения по проектированию ориентированы на унификацию разрабатываемых алгоритмов и программ и средств их документирования, что обеспечивает большую гибкость в выборе средств реализации.
45
46
5.3. Файловая система 5.3.1. Понятие файла. В качестве единицы хранения информации принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл – логически связанная совокупность данных или программ, для размещения которых в памяти выделяется именованная область. Файл характеризуется полным именем, объемом в байтах, датой и временем создания (изменения) и атрибутами. В DOS имя файла образуется не более чем из 8 символов. Допустимы буквы только латинского алфавита, с одной из которых рекомендуется начинать имя. Запрещены символы «.», «*», «?», «:», «;», «,». В Windows имя файла может содержать до 256 символов любого алфавита. Желательно, чтобы имя отражало смысловое содержание файла. Полное имя более подробно характеризует файл и образуется из имени файла и типа (расширения), разделенных точкой (между именем и типом пробелы недопустимы). Расширение имени служит для характеристики хранящейся в файле информации и образуется не более чем из 3 букв только латинского алфавита. При работе с группой файлов пользуются шаблоном (маской) имени. Маска имени файла – специальная форма, в которой в полях имени и типа файла используются символы-заменители «*» и/или «?». Символ «*» служит для замены любой последовательности символов. В поле имени и типа может быть использовано по одному символу «*». Символ «?» служит для замены одного символа. В маске может быть использовано несколько таких символов. Атрибуты – это дополнительные параметры, определяющие свойства файлов. Установка атрибута «Только для чтения» означает, что файл не предназначен для внесения изменений. Атрибут «Скрытый» сигнализирует операционной системе о том, что данный файл не следует отображать на экране при проведении файловых операций. Это мера защиты против случайного (умышленного или неумышленного) повреждения файла. Атрибут «Системный» назначается файлам, обладающим важными функциями в работе самой операционной системы. Средствами операционной системы его изменить нельзя. Атрибут «Архивный» в настоящее время значения не имеет. С понятием файла в MS DOS тесно связано понятие логического диска. Логический диск создается и управляется специальной программой (драйвером). Он имеет уникальной имя в виде одной латинской буквы C, D, E, F и т.д. Логический диск может реализовываться на жестком диске, гибком диске, на CD-ROM, в оперативной памяти (электронный диск) и т.п. На одном физическом диске может быть создано несколько логических дисков. В дальнейшем изложении под дис-
ком понимается логический диск. 5.3.2. Организация доступа к файлу. Доступ – процедура установления связи с памятью и размещенным в ней файлом для записи или чтения данных. Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в данном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (папки). Верхним уровнем вложенности иерархической структуры является корневой каталог (папка) диска. Признак объединения файлов в каталоги (папки) определяется их создателем (пользователем). Правила присвоения имени каталогу ничем не отличаются от правил присвоения имени файлу, хотя негласно для каталогов не принято задавать расширения имен. Файл или каталог могут быть зарегистрированы с одним и тем же именем в разных каталогах, но в одном и том же каталоге только один раз. Различают два состояния каталога (папки) – активное и пассивное. Активный (текущий) каталог (папка) – каталог (папка), в котором (которой) работа пользователя производится в текущее машинное время. Пассивный каталог (папка) – каталог (папка), с которым (которой) в данный момент времени не имеется связи. В иерархических структурах данных адрес объекта задается маршрутом (путем доступа), ведущим от вершины структуры к объекту. В данном случае доступ к файлу можно организовать следующим образом: − если имя файла зарегистрировано в текущем каталоге (папке), то достаточно для доступа к файлу указать только его имя; − если имя файла зарегистрировано в пассивном каталоге (пассивной папке), то, находясь в текущем (текущей) каталоге (папке), следует перечислить имена каталогов (папок) в порядке их следования к нужному каталогу (нужной папке). При записи пути доступа к файлу, проходящего через систему вложенных каталогов (папок), все промежуточные каталоги (папки) разделяются между собой символом «\» (обратный слеш). Таким образом, правило записи пути доступа к файлу имеет вид: <имя носителя>:\<имя каталога (папки) 1>\ ... \<имя каталога (папки) N>\<полное имя файла>. Описанный принцип организации доступа к файлу через каталог (папку) является основой файловой системой. Файловая система – часть операционной системы, управляющая размещением и доступом к файлам и каталогам (папкам) на диске.
47
48
5.4. Сервисное программное обеспечение 5.4.1. Архивация файлов. Архивация, упаковка файлов производится путем сжатия хранимой в них информации. Сжатие информации – это процесс преобразования информации, хранящейся в файле, к виду, при котором уменьшается избыточность в ее представлении и соответственно требуется меньший объем памяти для хранения. Избыточность устраняется, например за счет упрощения кодов, исключения из них постоянных битов или представления повторяющихся символов либо повторяющейся последовательности символов в виде коэффициента повторения и соответствующих символов. Сжиматься могут как один, так и несколько файлов, которые в сжатом виде помещаются в так называемый архивный файл или архив. Архивный файл – это специальным образом организованный файл, содержащий в себе один или несколько файлов в сжатом или несжатом виде и служебную информацию об именах файлов, дате и времени их создания и т.п. Степень сжатия файлов характеризуется коэффициентом сжатия КС, определяемым отношением: КС = (VC / V0)⋅100%, где VC – объем сжатого файла, а V0 – объему исходного файла. Наиболее хорошо сжимаются графические файлы, текстовые файлы и файлы данных (КС = 5 – 40%), меньше сжимаются файлы исполняемых программ и загрузочных модулей (КС = 60 – 90%). Почти не сжимаются архивные файлы. Большие по объему архивные файлы могут быть размещены на нескольких дисках (томах). Такие архивы называются распределенными. Помещение исходных файлов в архивный файл в сжатом или несжатом виде называется архивацией (упаковкой). Разархивация (распаковка) – процесс восстановления файлов из архива точно в таком виде, какой они имели до загрузки в архив. При распаковке файлы извлекаются из архива и помещаются на диск или в оперативную память. Программы, осуществляющие упаковку и распаковку файлов, называются архиваторами. Из числа наиболее популярных архиваторов, работающих с любыми типами данных и без потери информации, можно выделить WinZIP и WinRAR. При этом архивные файлы получают расширение .zip и .rar, соответственно. Такие архиваторы позволяют создавать и самораспаковывающиеся архивы – способные к самостоятельной разархивации находящихся в нем файлов без использования архиватора. Архивы такого типа получили название SFX-архивов и имеют расширение .ехе. Архиваторы с регулируемой потерей информации, например JPEG (для графических данных) и MPEG (для видеоданных), обеспечивают гораздо более высокую степень сжатия, чем WinZIP и
WinRAR. Однако их нельзя применять к текстовым документам, базам данных и, тем более, к программному коду. 5.4.2. Обслуживание магнитных дисков. При эксплуатации магнитных дисков нередко приходится сталкиваться с нарушениями в их работе, вызванными физическими или логическими дефектами. Физические дефекты возникают главным образом из-за механических повреждений, воздействия электромагнитных полей или старения магнитного покрытия диска. В результате некоторые сектора и кластеры становятся непригодными к использованию и должны быть исключены из дальнейшего употребления. Логические дефекты диска связаны с повреждениями его системной области. Такие нарушения могут возникать при аварийном отключе-нии питания, сбоях, зависании программ и других причинах. В результате на диске образуются потерянные кластеры (не принадлежат ни одному файлу, но считаются занятыми) или, наоборот, принадлежат сразу нескольким. Для восстановления поврежденных файлов и дисков используется, например программа Scandisk, входящая в состав MS DOS. Обычно операционная система записывает файл в смежные кластеры диска. Считывание такого файла требует минимального времени. Однако при дополнении ранее записанных файлов происходит разделение их на фрагменты, которые могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга. Таким образом, образуются фрагментированные файлы, время записи и считывания которых существенно превышает минимальное. Кроме того, в процессе работы для увеличения свободного пространства диска периодически производят удаление неиспользуемых файлов, что еще больше способствует фрагментации – появлению на диске множества свободных участков, разделенных занятыми участками. Для устранения фрагментации применяются утилиты, одна из которых – дефрагментация диска, входит в состав MS DOS. 5.4.3. Защита от компьютерных вирусов. Компьютерным вирусом называется специально написанная программа, способная самопроизвольно присоединяться к другим программам, создавать свои копии и внедрять их в файлы, системные области компьютера и в вычислительные сети с целью нарушения работы программ, порчи файлов и каталогов (папок), создания всевозможных помех в работе на компьютере. Основными путями проникновения вирусов в компьютер являются гибкие и лазерные диски, а также компьютерные сети. К основным признакам появления вирусов можно отнести следующие: − прекращение работы или неправильная работа ранее успешно функционировавших программ;
49
50
− медленная работа компьютера; − невозможность загрузки операционной системы; − исчезновение файлов и каталогов (папок) или искажение их содержимого; − изменение даты и времени модификации файлов; − изменение размеров файлов; − неожиданное значительное увеличение количества файлов на диске; − существенное уменьшение размера свободной оперативной памяти; − вывод на экран непредусмотренных сообщений или изображений; − частые зависания и сбои в работе компьютера. В зависимости от среды обитания вирусы можно разделить на сетевые, файловые и файлово-загрузочные. Сетевые вирусы распространяются по различным компьютерным сетям. Файловые вирусы внедряются главным образом в исполняемые модули, т.е. в файлы с расширением .com и .exe. Как правило, файловые вирусы не размножаются. Загрузочные вирусы внедряются в загрузочный сектор диска и заражают как файлы, так и загрузочные сектора дисков. По способу заражения вирусы делятся на резидентные и нерезидентные. Резидентный вирус при инфицировании компьютера оставляет в оперативной памяти свою резидентную часть, которая потом перехватывает обращение операционной системы к объектам заражения (файлам, загрузочным секторам дисков и т.п.) и внедряется в них. Резидентные вирусы находятся в памяти и являются активными вплоть до выключения или перезагрузки компьютера. Нерезидентные вирусы не заражают память компьютера и являются активными ограниченное время. По особенностям алгоритма вирусы трудно классифицировать из-за большого разнообразия. Простейшие вирусы (паразитические) изменяют содержимое файлов и могут быть достаточно легко обнаружены и уничтожены. Вирусы-репликаторы (черви) распространяются по компьютерным сетям, вычисляют адреса сетевых компьютеров и записывают по эти адресам свои копии. Вирусы-невидимки (стелс-вирусы) очень трудно обнаружить и обезвредить, поскольку они перехватывают обращения операционной системы к пораженным файлам и секторам дисков и подставляют вместо своего тела незараженные участки диска. Наиболее трудно обнаружить вирусы-мутанты, содержащие алгоритмы шифровкирасшифровки, благодаря которым копии одного и того же вируса не имеют ни одной повторяющейся цепочки байтов. Имеются и квазивирусные («троянские») программы, которые хотя и не способны к самораспространению, но очень опасны, так как, маскируясь под полезную программу, разрушают загрузочный сектор и файловую систему дисков.
Для обнаружения, удаления и защиты от компьютерных вирусов разработано несколько видов антивирусных программ: − программы-детекторы ищут в оперативной памяти и в файлах характерную для конкретного вируса последовательность байтов (сигнатуру вируса) и при обнаружении выдают соответствующее сообщение; − программы-доктора (фаги) не только находят зараженные вирусами файлы, но и «лечат» их, т.е. удаляют из файла тело программы вируса. Среди фагов выделяют полифаги – программы-доктора, предназначенные для поиска и уничтожения большого количества вирусов. Наиболее популярными полифагами являются программы Kaspersky Anti-Virus и Doctor Web; − программы-ревизоры относятся к самым надежным средствам защиты от вирусов. Ревизоры запоминают исходное состояние программ, каталогов (папок) и системных областей дисков тогда, когда компьютер не заражен вирусом, а затем периодически или по желанию пользователя сравнивают текущее состояние с исходным. Обнаруженные изменения выводятся на экран монитора. К ревизорам относится программа ADinf фирмы «Диалог-Наука»; − программы-фильтры или «сторожа» представляют собой небольшие резидентные программы, предназначенные для обнаружения подозрительных действий при работе компьютера, например попытки коррекции файлов с расширениями .com и .exe, изменение атрибутов файлов, запись в загрузочные сектора дисков, загрузка резидентной программы. Такие программы способны обнаружить вирус на самой ранней стадии его существования до размножения, но они не "лечат" файлы и диски. Примером программы-фильтра является программа Vsafe, входящая в состав пакета утилит MS DOS. Строка заголовка Строка меню
Рабочее поле
КВР
ГПП Строка состояния
Рис. 5.4. Вид типового интерфейса
ВПП
5.5. Текстовый процессор 5.5.1. Типовая структура интерфейса. Типовая структура интерфейса приведена на рис. 5.4. Строка заголовка содержит имя редактируемого документа и кнопки управления окном программы. Строка меню содержит имена групп команд, объединенных по функциональ-
51
52
ному признаку. Выбор пункта меню (щелчок мыши по имени) открывает соответствующее подменю, а выбор определенной опции (строка, помеченная черным треугольником) в нем обеспечивает доступ к меню более низкого уровня. Вертикальная и горизонтальная полосы прокрутки (ВПП и ГПП) служат, соответственно для вертикального и горизонтального перемещения текста документа в рабочем поле окна. Рабочее поле – это пространство на экране дисплея для создания документа и работы с ним. Рядом с ГПП расположены кнопки выбора режима представления документов. В обычном режиме представляется только содержательная часть документа без реквизитных элементов оформления страниц (колонтитулы, подстраничные сноски и т.п.). В этом режиме операции с объемными документами проходят быстрее, поэтому он удобен на ранних этапах разработки документа (ввод текста, редактирование, рецензирование). В режиме Web-документа экранное представление не совпадает с печатным (назначенные параметры страницы не учитываются, а форматирование документа на экране является относительным). В этом режиме разрабатывают электронные публикации. В режиме разметки экранное представление документа полностью соответствует печатному, вплоть до назначенных параметров печатной страницы. Этот режим удобен для большинства работ, связанных с форматированием текста, предназначенного для печати. В режиме структуры документ отображается с утрированным выделением его структуры. Режим полезен в тех случаях, когда разработку документа начинают с создания плана содержания. Он отличается тем, что при его включении автоматически открывается вспомогательная панель Структура, элементы управления которой позволяют править структуру документа. Строка состояния (статуса) содержит информацию о номере текущей страницы и положении в ней курсора, а также индикаторы (ЗАП, ИСПР, ВДЛ, ЗАМ), отражающие режимы работы программы. Индикатор оказывается переключателем режима, если по нему дважды щелкнуть мышью. Кроме приведенных элементов окна следует отметить вертикальную и горизонтальную координатные линейки, которые определяют границы документа и позиции табуляции. Линейки градуированы в сантиметрах, причем нулевая точка выровнена по первому абзацу текста. В окне программы можно открыть несколько документов (окон документа). Переход от одного документа к другому производится с помощью пункта меню Окно. 5.5.2. Работа с текстом. Установка параметров страницы. Физическая страница («раз-
мер бумаги») обычно имеет некоторый стандартный размер, например 210×297 мм, а логическая страница образуется в поле физической за вычетом установленных пользователем границ (рис. 5.5). Переход на новую Верхняя страницу осуществляФизическая Верхний граница страница колонтитул ется автоматически после заполнения последЛогическая ней строки на странице. страница При разрыве абзаПравая Левая ца обеспечивается конграница граница троль за так называемыми висячими строками. Висячей строкой называется первая строка или заголовок Нижняя Нижний нового абзаца, оказавграница колонтитул шийся на последней строке страницы. Рис. 5.5. Физическая и логическая страницы В колонтитулах проставляются номера страниц, название и адрес фирмы и т.п. Выделение фрагмента (непрерывная часть текста) делает его объектом последующей команды. Выделение фрагментов удобно выполнять мышью (рис. 5.6а). Выделенные фрагменты можно копировать, перемещать и удалять. Копирование и перемещение фрагмента удобно выполнять через буфер промежуточного хранения (рис. 5.6б), представляющий …………… собой часть операФрагмент …... тивной памяти. Буфер Технология выполнения этих операций включает в себя …………… Фрагмент следующие этапы: …... − выделение фрагмента; б а − перенос выРис. 5.6. Выделение и перемещение фрагмента деленного фрагмента в буфер промежуточного хранения; − перемещение курсора в нужное место документа; − копирование фрагмента из буфера в место документа, указанное курсором. Для удаления выделенного фрагмента достаточно нажать клавишу
53
54
. Форматирование – процедура оформления страницы текста: − изменение границ логической страницы; − установка межстрочного интервала (разреженность строк на странице) и межбуквенного интервала в слове; − выравнивание текста (центрировать, прижимать к левой или правой границе, равномерно распределять слова в строке – по ширине страницы); − использование разных шрифтов и стилей и т.п. Ключевым элементом в структуре документа является абзац – фрагмент текста, процесс ввода которого заканчивается нажатием клавиши <Enter>. Установку границ абзацев производят с помощью маркеров отступов, расположенных на горизонтальной координатной линейке или соответствующими командами меню. Выравнивание абзаца может быть горизонтальным (влево, вправо, по центру, по ширине) и вертикальным (вверх, вниз, по высоте). Для исключения трудностей при повторном форматировании используют режим автоматического переноса слов. Простота форматирования абзацев и заголовков текста, а также единство их оформления в рамках всего документа обеспечивается использованием стилей. Стиль оформления – это именованная совокупность настроек параметров шрифта, абзаца, языка и некоторых элементов оформления абзацев (линий и рамок). Обычно текстовые процессоры поддерживают два типа стилей: стили абзаца и знаковые стили. С помощью стилей абзаца выполняют форматирование абзацев, а с помощью знаковых стилей можно изменять оформление выделенных фрагментов текста внутри абзаца. Наличие двух типов стилей позволяет реализовать довольно сложные приемы форматирования, например, когда внутри абзаца, оформленного одним шрифтом, содержаться фрагменты текста, оформленные другим шрифтом. Поиск и замена реализуется поиском в документе некоторого текстового элемента и, при необходимости, заменой его другим, заданным пользователем. Заменяемый и заданный текстовые элементы могут быть различной длины, включать в себя одно слово, группу слов, часть слова, числа и другие знаки. Для выполнения операции поиска и замены существует ряд дополнительных условий: − одноразовая и глобальная замена. Режим одноразовой замены прекращает поиск после нахождения первого вхождения заменяемого элемента. Глобальная замена заменяет все вхождения заменяемого элемента; − автоматическая и ручная замена. Режим ручной замены требует подтверждения пользователя на замену после нахождения каждого
вхождения заменяемого элемента. Автоматический режим такого подтверждения не требует; − чувствительность и нечувствительность к строчным и прописным символам. При выборе первого режима регистр, в котором отображен заменяемый элемент, имеет значение при его поиске; − направление поиска. Обычно поиск начинается от позиции текста, занимаемой в настоящее время курсором, и до конца документа. Операции сохранения записывают отредактированный документ, находящийся в оперативной памяти, на диск для постоянного хранения. При этом тип сохраненного документа обычно присваивается текстовым процессором автоматически. Например, в текстовом процессоре Word документу присваивается тип .doc. Большинство текстовых процессоров используют следующие три операции сохранения данных: − сохранить и продолжить редактирование. Эта операция повторяется периодически, гарантируя сохранность более поздней копии проектируемого документа на случай возможной его утраты; − сохранить и выйти. Эта операция используется для сохранения отредактированного документа и выхода в операционную систему; − выйти без сохранения. Эта операция позволяет выйти в операционную систему без сохранения документа, с которым работали. Для защиты созданных документов от возможной утраты специальной командой обеспечивается режим, когда одновременно хранятся два файла одного и того же документа – текущий и резервный. После внесения изменений в документ предыдущая его версия сохраняется как резервный файл: ему присваивается тип .bak, а отредактированный файл рассматривается как текущий. Важным фактором защиты создаваемых документов является функция автосохранения, которая может выполняться как обычная операция сохранения или как специальная операция сохранения текущего состояния текстового процессора в специальном файле. В последнем случае при аварийном прекращении работы это состояние может быть восстановлено, включая содержимое всех окон документов, положение курсоров в них и т.п. Проверка правописания слов и синтаксиса выполняются специальными программами, встроенными в текстовый процессор. Эти программы проверяют не только правописание, но и склонение, сопряжение, пунктуацию и стиль. Указанное слово сопоставляется с его написанием в словаре и в случае любых несоответствий выдается на экран для редактирования. При этом пользователю предлагается следующий выбор: провести исправление, игнорировать ошибку или добавить слово во вспомогательный словарь. Многие текстовые процессоры пред-
55
56
лагают дополнительные услуги (например, варианты написания слова), облегчающие исправление ошибок. Словарь синонимов (тезаурус) помогает избежать повторений одних и тех же слов и сделать элегантным стиль изложения. Шаблоны позволяют составлять и хранить универсальные бланки документов различного типа: писем, служебных записок, доверенностей, платежных поручений. Составной частью шаблонов являются стили, определяющие внешний вид символов и абзацев. В итоге составление документа сводится к заполнению определенных полей шаблона текстом. 5.5.3. Основные требования к созданию документа. Правильный выбор типа (гарнитуры) шрифта, его стиля (полужирный, курсив, обычный) и размера акцентирует содержание сообщения, не привлекая внимания к самому шрифту. Различные части документа (заголовок, сам текст документа, примечания) следует набирать шрифтами разных размеров. Размер (кегль) шрифта – это его вертикальный размер, измеряемый в пунктах (1 пункт = 0,376 мм). Для большинства документов используются 10 – 14-пунктовые шрифты. Размер шрифта более 14 пунктов обычно используется лишь для заголовков и выделений. На листе должно быть достаточно пустого места, чтобы дать глазу передышку. Не следует использовать на странице много различных шрифтов и рисунков – они лишь украшение текста, а также слишком длинных строк – они утомляют глаз читателя. При проектировании документа надлежит соблюдать принцип баланса – визуальный вес левой и правой частей страницы должен быть примерно одинаков.
свой уникальный адрес. Адрес ячейки определяется именем столбца и номером строки, например Z2. Современные программы предоставляют электронные таблицы, содержащие более 18 млн. ячеек, в каждую из которых можно поместить до 32 тысяч символов. Для быстрого перемещения в нужную ячейку достаточно ввести ее адрес в поле имени строки ввода. Для просмотра или редактирования данных в активной (выделенной или содержащей курсор) ячейке удобно использовать строку формул. Кроме того, строка формул дает возможность видеть содержащуюся в активной ячейке формулу или функцию, а не ее результат. В электронной таблице существует понятие блока (диапазона) ячеек. Адрес блока задается указанием адресов первой и последней его ячеек, разделенных двоеточием. В команде адрес блока, в отношении данных которого она должна быть выполнена, удобно указывать путем его выделения. Электронные таблицы размещаются табличным процессором в самостоятельных окнах (листах). Несколько листов образуют документ, называемый книгой. Специальными командами можно изменять взаимное расположение листов в книге, добавлять и удалять листы, а также давать им уникальные имена. Все листы книги сохраняются в одном файле. 5.6.2. Типы данных электронной таблицы. Текстовые данные носят описательный характер и могут включать в себя алфавитные, числовые и специальные символы. В качестве их первого символа часто используется апостроф. Числовые данные не могут содержать алфавитных и специальных символов, поскольку с ними производятся математические операции. Единственными исключениями являются десятичная запятая и знак числа, стоящий перед ним. Формулы начинаются знаком «=» и представляют собой совокупность операторов (знаков математических операций), чисел, адресов ячеек или блоков ячеек, содержащих операторы, и функций. Результат вычисления помещается в ячейку, в которой находится формула. При этом формула в ячейке становится не видимой. В формулах используются следующие операторы арифметических действий (расположены в порядке возрастания уровня приоритета): сложение (+) и вычитание (-), умножение (*) и деление (/), возведение в степень (^). Нормальный порядок выполнения операций изменяют введением круглых скобок, операции в которых выполняются первыми. Формулы могут также содержать операторы отношений: равно (=), больше (>), меньше (<), не более (<=), не менее (>=). Функции представляют собой программы с уникальными именами. Для каждой функции в скобках, стоящих после ее имени, задаются
5.6. Табличный процессор Табличный процессор – специальный комплекс программ, используемый для управления электронной таблицей. Электронная таблица – компьютерный эквивалент обычной таблицы, в клетках (ячейках) которой записаны данные различных типов. 5.6.1. Интерфейс табличного процессора. Интерфейс табличного процессора отличается от интерфейса текстового процессора наличием строки ввода, состоящей из двух полей – поля имени и строки формул, а также рабочим полем, представляющим собой электронную таблицу. Электронная таблица состоит из строк и столбцов, имеющих свои имена. Именами строк являются их номера, а именами столбцов – буквы латинского алфавита сначала от A до Z, затем от АА до AZ, BA до BZ и т.д. Пересечение строки и столбца образует ячейку таблицы, имеющую
57
58
конкретные значения аргументов в виде адресов ячеек или блоков ячеек, разделенных запятыми. В электронных таблицах могут быть представлены следующие виды (категории) функций: математические, статистические, текстовые, логические, финансовые и др. Математические функции выполняют различные математические операции – вычисление логарифмов, тригонометрических функций и т.п. Статистические функции выполняют операции по вычислению параметров случайных величин или их распределений, представленных множеством чисел – стандартное отклонение, среднее значение, медиана и т.п. Текстовые функции выполняют операции над текстовыми строками или последовательностью символов, вычисляя длину строки, преобразовывая заглавные буквы в строчные и т.п. Логические функции используются для построения логических выражений, результат которых зависит от истинности проверяемого условия. Финансовые функции используются в сложных финансовых расчетах – определение нормы дисконта, размера ежемесячных выплат для погашения кредита, амортизационных отчислений и др. Даты. Этот тип данных обеспечивает выполнение таких функций, как добавление к дате числа (пересчет даты вперед или назад) или вычисление разности двух дат (длительности периода). Наиболее употребительны следующие форматы дат: ДД.МММ.ГГ (04.Янв.04), ДД.МММ (04.Янв), МММ.ГГ (Янв.04). 5.6.3. Форматирование данных в ячейках. Форматирование данных – выбор формы представления числовых или символьных данных в ячейке. Числа располагаются в ячейках, выравниваясь по правому краю. При этом наиболее распространены следующие форматы их представления: − основной формат используется по умолчанию, обеспечивая запись числовых данных в том же виде, как они вводятся в ячейки или вычисляются; − формат с фиксированным количеством десятичных знаков обеспечивает представление чисел с заданной точностью, определяемой установленным пользователем количеством десятичных знаков после запятой; − процентный формат обеспечивает представление введенных данных со знаком %; − денежный формат обеспечивает такое представление чисел, где каждые три разряда разделены запятой;
− научный формат обеспечивает представление чисел в форме с плавающей запятой. Символьные данные выравниваются по левому краю ячейки, хотя имеется возможность изменить выравнивание к правому краю или по центру ячейки. 5.6.4. Копирование и перемещение формул. Операции копирования и перемещения данных выполняются так же, как и в текстовом процессоре. Однако при копировании или перемещении формулы в другое место таблицы необходимо организовать управление формированием адресов исходных данных. Для этого в электронной таблице вводятся понятия относительной и абсолютной адресации. Абсолютный адрес ячейки, содержащей исходный операнд, не изменяется при копировании или перемещении формулы. Для указания абсолютной адресации вводится символ $. Различают полный и частичный абсолютный адрес. В первом случае символ $ ставится перед именем столбца и номером строки, например $В$5. Во втором случае символ $ ставится либо перед именем столбца, либо перед номером строки, например $В5 или В$5. При этом не будет меняться только имя столбца или только номер строки, соответственно. Относительный адрес записывается в обычной форме. При копировании в одной и той же строке в адресе ячейки с исходным операндом изменится только имя столбца, причем в строгом соответствии с числом столбцов смещения. A B C При копировании в одном и 1 5 том же столбце в адресе 2 2 ячейки с исходным операн3 =C1+B2 =D1+C2 дом изменится только номер 4 строки, причем в строгом со5 =C3+B4 =D3+B4 ответствии с числом строк смещения. Указанные правиРис. 5.7. Копирование формул ла иллюстрируются на рис. 5.7. A B C При перемещении толь1 5 5 ко формулы адрес ячейки с 2 2 2 исходным операндом не меняется. Однако он изменится, 3 =A1+A2 =C1+C2 если вместе с формулой пе4 =A1+A2 ремещается и сам операнд 5 или только операнд. Если реРис. 5.8. Перемещение формул зультат вычисления по дан-
59 ной формуле используется в другой формуле, то при перемещении данной формулы соответствующим образом изменится адрес в другой формуле. Указанные правила иллюстрируются на рис. 5.8. 5.6.5. Работа с электронной таблицей как с базой данных. Для работы с электронной таблицей как с базой данных в состав табличного процессора входит соответствующая группа (категория) команд. Единственным требованием, которому должны удовлетворять обрабатываемые с помощью таких команд таблицы, является однородность данных во всех ее строках. К типовым операциям, которые выполняют данные команды, относятся поиск определенных строк (столбцов) и сортировка строк. Для поиска определенных строк таблицы пользователь задает критерий поиска. Этот критерий определяет точное значение определенного столбца (поля) или столбцов (полей), либо указывает некоторый диапазон, в котором эти значения находятся. Сложные критерии, сочетающие в себе требования, предъявляемые к нескольким полям, используют логические операторы ИЛИ и И. Сортировка строк таблицы может производиться по значениям только одного, выбранного пользователем, поля независимо от типа содержащихся в нем данных. Текстовые данные сортируются по алфавиту или в обратном алфавиту порядке, а числовые данные – в порядке убывания или возрастания. Сортировка может выполняться и одновременно по нескольким полям сортировки. В этом случае пользователь должен указать начальное поле, по значениям которого исходная таблица будет отсортирована на первом этапе сортировки, вторичное поле, по значениям которого на втором этапе сортировки будут отсортированы строки, имеющие одинаковые значения в начальном поле, и последующие поля сортировки. 5.6.6. Графические возможности табличных процессоров. Табличные процессоры располагают рядом команд для построения различных типов диаграмм, с помощью которых можно поразному интерпретировать числовые значения. К типовым диаграммам относятся: 1. Круговая диаграмма (рис. 5.9) используется для графической интерпретации одной переменной. Этот тип диаграмм удобен для сравнения отдельных значений переменной между собой и с общей их суммой. 2. Гистограмма (рис. 5.10) используется для сравнения значений переменных в различные моменты времени. 3. Линейный график (рис. 5.11) используется для иллюстрации
60 М а га зи н 1
Прибыль П риб ыль
13%
17%
М а га зи н 2
М а га зи н 3
80 70 60
14%
50
1-й кв.
40
2-й кв.
30
3-й кв.
20
4-й кв.
10 0
1-й кв.
2-й кв.
56%
Рис. 5.9. Круговая диаграмма 90
Прибыль 180 160
80
140
70
120
60 40
4-й кв.
Рис. 5.10. Гистограмма
Прибыль
80
50
3-й кв.
К вартал
45,9
30
30,6
20
20,4
46,9 38,6
45
43,9
34,6
31,6
27,4
М агазин 1 М агазин 2 М агазин 3
20,4
100 80 60 40 20 0
10
1-й кв.
0 1-й кв.
2-й кв.
3-й кв.
4-й кв.
Квартал
Рис. 5.11. Линейный график
2-й кв. М агазин 1
3-й кв.
М агазин 2
М агазин 3
4-й кв.
Квартал
Рис. 5.12 Области
динамики переменных во времени. 4. Диаграмма с областями (рис. 5.12) изображает значения каждой из переменных в виде слоев разной толщины. Такие многослойные области графически изображают суммарные значения переменных в различные моменты времени, а также вклад в эти суммы их составляющих. Диаграммы, приведенные на рис. 5.9 – 5.12, предназначены для интерпретации нескольких переменных. Каждая диаграмма сопровождается легендой – список обозначений переменных, заключенный в рамочку.
6. Сетевые технологии 6.1. Обобщенная структура вычислительной сети Вычислительная сеть – совокупность компьютеров и терминалов, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, удовлетворяющую требованиям распределенной обработки данных. Распределенная обработка данных – обработка данных, выполняемая на незави-
61
62
симых, но связанных между собой компьютерах. Вычислительная сеть может состоять из сотен ЭВМ, расположенных друг от друга на расстоянии сотен и даже тысяч километров. Функции обработки данных, передачи данных и управления системой распределены между различными ЭВМ. Сообщение от одной ЭВМ к другой может быть передано по различным маршрутам в зависимости от состояния каналов связи, соединяющих ЭВМ друг с другом. Любую вычислительную сеть можно рассматривать как совокупность абонентских систем и коммуникационной сети. Абонентской системой принято называть совокупность абонента и станции. Абоненты сети – объекты, генерирующие или потребляющие информацию в сети. Абонентами сети могут быть отдельные ЭВМ, комплексы ЭВМ, терминалы, станки с числовым программным управлением и т.д. Любой абонент сети подключается к станции. Станция – аппаратура, которая выполняет функции, связанные с передачей и приемом информации. Коммуникационная сеть строится на базе физической передающей среды. Физическая передающая среда – линия связи или пространство, в котором распространяются электрические сигналы, и аппаратура передачи данных. В зависимости от территориального расположения абонентских систем вычислительные сети можно разделить на три основных класса: глобальные, региональные и локальные. Глобальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в различных странах, на различных континентах и позволяют объединить информационные ресурсы всего человечества и организовать доступ к ним. Взаимодействие между абонентами такой сети может осуществляться на базе телефонных линий связи, радиосвязи и систем спутниковой связи. Региональная вычислительная сеть связывает абонентов, расположенных на десятки и сотни километров друг от друга. Она может включать абонентов внутри большого города, экономического региона, отдельной страны. Локальная вычислительная сеть объединяет абонентов, расположенных в пределах небольшой территории (до 10 км). Локальные вычислительные сети могут входить как компоненты в состав региональной сети, региональные сети – объединяться в составе глобальной сети, и, наконец, глобальные сети могут также образовывать сложные структуры. Существуют корпоративные сети, которым одновременно присущи свойства локальных и глобальных сетей.
6.2. Коммуникационная среда и передача данных Компонентами любой коммуникационной сети являются сообщение, передатчик, средства передачи и приемник. Сообщение – цифровые данные определенного формата (файл базы данных, таблица, текст, изображение), предназначенные для передачи. Передатчик – устройство, являющееся источником данных. Приемник – устройство, принимающее данные (компьютер, терминал и т.д.). Средства передачи – физическая передающая среда и специальная аппаратура, обеспечивающая передачу сообщений. 6.2.1. Характеристики процесса передачи данных. Процесс обмена сообщениями в вычислительной сети по каналам связи характеризуется режимом передачи, кодом передачи и типом синхронизации. Режимы передачи данных. Существует три режима передачи: симплексный, полудуплексный и дуплексный. Симплексный режим – передача данных только в одном направлении. В вычислительных сетях практически не используется. Полудуплексный режим – когда источник и приемник попеременно меняются местами. Дуплексный режим – одновременная передача и прием сообщений. Является наиболее скоростным режимом работы. Коды передачи данных. Кодовые комбинации могут передаваться параллельным или последовательным кодом. В первом случае каждый бит кодовой комбинации передается по отдельному проводу. При этом обеспечивается высокое быстродействие, но требуются повышенные затраты на создание физической передающей среды. В силу последнего фактора в вычислительных сетях передача параллельными кодами не используется. Во втором случае кодовая комбинация передается по одному проводу бит за битом. Это медленнее, но экономически более выгодно для передачи сообщений на большие расстояния. Типы синхронизации данных. Синхронизация данных – согласование различных процессов во времени. Различаю синхронные и асинхронные процессы. Процессы называются синхронными, если один из них может начаться только после того, как полностью получит данные от другого. Асинхронными называются процессы, которые могут выполняться независимо от степени полноты переданных данных. В системах передачи данных эти процессы организуются следующим образом. При синхронной передаче каждый блок информация передается в течение определенного интервала времени, по истечении которого считается, что приемник принял передаваемую информацию. Этот интервал обозначается специальными синхросимволами. В состав блока включаются также управляющие символы, обеспечивающие контроль
63
64
состояния физической передающей среды. Синхронная передача удорожает оборудование, но высокоскоростная и почти безошибочная, вследствие чего используется для обмена сообщениями между ЭВМ в вычислительных сетях. При асинхронной передаче используется система запрос-ответ. Передатчик сообщает приемнику о своей готовности передать информацию. Если приемник готов к приему, он сообщает об этом передатчику. По завершении сеанса связи передатчик снимает сигнал извещения, а приемник – сигнал подтверждения. Возможен асинхронно-синхронный метод, при котором передача осуществляется стартстопным способом. В этом случае каждый байт информации ограничивается стартовым и стоповым битами, которые позволяют произвести его выделение из общего потока передаваемых данных. Стартовый бит извещает приемник о начале передачи, а стоповый – о ее окончании. Оба последних метода синхронизации снижают эффективную скорость передачи данных, но не требуют дорогостоящего оборудования, кроме того, отвечают требованиям организации диалога в вычислительной сети при взаимодействии персональных ЭВМ. 6.2.2. Аппаратные средства коммуникационной среды. Существует два способа передачи информации по физической передающей среде: цифровой и аналоговый. При цифровом способе данные передаются в их естественном виде (1 – есть напряжение, 0 – нет напряжения) на единой частоте. При этом в каждый данный момент времени передающая среда может использоваться только двумя пользователями, причем находящимися на относительно небольшом (до 1 км) расстоянии друг от друга. В то же время цифровой способ передачи обеспечивает высокую скорость обмена данными (до 10 Мбит/с) и позволяет создавать легко конфигурируемые вычислительные сети. По этим причинам цифровой способ передачи используется подавляющим числом локальных сетей. В глобальных и региональных сетях используется аналоговый способ передачи цифровых данных. Такому способу характерна широкополосная передача за счет использования в одном канале сигналов различных несущих частот. При этом происходит управление (модуляция) одним из параметров синусоидального сигнала несущей частоты: амплитудой, частотой или фазой. Соответствующие принципы модуляции при передаче данных в двоичном виде заключаются в следующем: − амплитудная модуляция: 0 – отсутствие колебаний несущей частоты, 1 – наличие колебаний несущей частоты; − частотная модуляция предусматривает передачу 0 и 1 на разной
частоте несущего сигнала; − фазовая модуляция: при переходе от 0 к 1 и от 1 к 0 меняется фаза несущего сигнала. Согласование внутреннего интерфейса ЭВМ с параметрами сигналов, передаваемых по каналам связи, выполняют устройства, называемые сетевыми адаптерами. Один адаптер обеспечивает сопряжение с ЭВМ одного канала связи. Кроме одноканальных адаптеров используются мультиплексоры – устройства сопряжения ЭВМ с несколькими каналами связи. Преобразование потока битов в аналоговые сигналы и обратно выполняет специальное устройство – модем (модулятор-демодулятор). Наиболее дорогим компонентом вычислительной сети является канал связи. В целях их экономии используют коммутацию нескольких внутренних каналов связи на один внешний. При этом информация каждого внутреннего канала передается во внешнем канале на отдельной частоте. Для выполнения этих функций служат специальные устройства – концентраторы. В локальных вычислительных сетях, где физическая передающая среда представляет собой кабель ограниченной длины, для увеличения протяженности сети используются повторители. Повторитель – устройство, обеспечивающее сохранение формы и амплитуды сигнала при передаче его на большее, чем предусмотрено данным типом физической передающей среды, расстояние. 6.2.3. Характеристики коммуникационной сети. Для оценки качества коммуникационной сети можно использовать следующие характеристики: − скорость передачи данных по каналу связи. Зависит от типа и качества канала связи, используемых модемов и принятого способа синхронизации. Так, для асинхронных модемов и телефонного канала связи диапазон скоростей составляет 300 – 9600 бит/с, а для синхронных – 1200 – 19200 бит/с; − пропускная способность оценивается количеством знаков, передаваемых по каналу за единицу времени (секунду). Теоретическая пропускная способность определяется скоростью передачи данных. Реальная пропускная способность зависит от способа передачи, качества канала связи, условий его эксплуатации и структуры сообщений; − достоверность передаваемой информации оценивается отношением количества ошибочно принятых знаков к общему числу переданных знаков. Для вычислительных сетей этот показатель должен лежать в пределах 10-6 – 10-7 ошибок/знак. Требуемый уровень достоверности должны обеспечивать как аппаратура, так и канал связи;
65
66
− надежность определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Вторая характеристика более эффективна.
Сервер – компьютер, подключенный к сети и обеспечивающий ее пользователей определёнными услугами. Сервер – источник ресурсов сети. Он осуществляет хранения данных, управление базами данных, удалённую обработку заданий, печать заданий и ряд других функций, потребность в которых может возникнуть у пользователей. Рабочая станция – персональный компьютер, подключённый к сети, через который пользователь получает доступ к её ресурсам. Рабочая станция функционирует как в сетевом, так и в локальном режиме. Она оснащена собственной операционной системой и обеспечивает пользователя всеми необходимыми инструментами для решения прикладных задач. Обработка данных в вычислительной сети распределена между двумя объектами: клиентом и сервером. Клиент – задача, рабочая станция или пользователь вычислительной сети. Сервер выполняет запрос, поступивший от клиента, и передает клиенту результаты выполнения запроса. Клиент обрабатывает полученные данные и представляет результаты обработки в виде, удобном для пользователя. В принципе обработка данных может быть выполнена и на сервере. Для подобных систем приняты термины – системы клиент-сервер или архитектура клиент-сервер. ЛВС бывают одноранговыми и с выделенным сервером. В одноранговой сети каждая рабочая станция может выполнять функции, как клиента, так и сервера. Для такой сети характерна низкая стоимость и высокая надежность. К недостаткам относятся: − зависимость эффективности работы сети от количества станций; − сложность управления сетью и обеспечения защиты информации; − трудности обновления и изменения программного обеспечения станций. В сети с выделенным сервером все рабочие станции взаимодействуют друг с другом через центральный (сетевой) сервер. Достоинства такой сети: − надежная система защиты информации и высокое быстродействие; − отсутствие ограничений на число рабочих станций и простота управления. К недостаткам относятся высокая стоимость и меньшая гибкость по сравнению с одноранговой сетью. 6.4.2. Типовые топологии ЛВС. Топология ЛВС – это геометрическая схема соединений узлов сети. Узел – любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети. Для ЛВС типичными являются три топологии: кольцевая, шинная и звездообразная.
6.3. Протоколы компьютерной сети Протокол – набор правил, определяющий взаимодействие различных абонентских ЭВМ. Правила и последовательность выполнения действий при обмене информацией, определенные протоколом, должны быть реализованы программно – обычно в драйверах. К одним из основных протоколов, без которых ЭВМ не может работать в сети, относятся протоколы канального уровня. Канальный уровень обеспечивает управление потоком данных в виде кадров, в которые упаковываются информационные пакеты (группы передаваемых байтов), обнаруживает ошибки передачи и реализует алгоритм восстановления информации в случае обнаружения сбоев или потерь данных. Протоколы канального уровня разделяются на две основные группы: байт-ориентированные и бит-ориентированные. Байт-ориентированный протокол обеспечивает передачу сообщения в виде последовательности байтов. Кроме информационных байтов в канал передаются управляющие и служебные байты. Такой тип протокола удобен для ЭВМ, поскольку она ориентирована на обработку данных, представленных в виде байтов. Однако он менее удобен для коммуникационной среды, так как разделение информационного потока на байты требует использования дополнительных сигналов, что, в конечном счете, снижает пропускную способность канала связи. Бит-ориентированный протокол предусматривает передачу информации в виде потока битов, не разделяемых на байты. Для разделения кадров используются специальные последовательности – флаги. В начале кадра ставится флаг открывающий, а в конце – флаг закрывающий. Такой тип протокола удобен для коммуникационной среды, поскольку она как раз и ориентирован на передачу последовательности битов. Для ЭВМ он не очень удобен, поскольку из поступающей последовательности битов приходится выделять байты для последующей обработки сообщения. Потенциально бит-ориентированные протоколы являются более скоростными, что обусловливает их широкое распространение в современных вычислительных сетях. 6.4. Локальные вычислительные сети 6.4.1. Особенности организации локальных вычислительных сетей. Локальную вычислительную сеть (ЛВС) можно рассматривать как совокупность серверов и рабочих станций.
67
68
В кольцевой топологии (рис. 6.1) узлы сети соединяются замкнутой кривой – кабелем передающей среды. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслиУзел 3 Узел 1 Узел 2 рует переданное сообщение. Принимающий узел распознает и получает Узел 4 Узел 6 Узел 5 только адресованные ему сообщения. Для доступа к Рис. 6.1. Кольцевая топология передающей среде используется метод передачи права. Он основан на передаче по сети специального сообщения – маркера. Маркер – служебное сообщение определенного формата, в которое абоненты сети могут помещать свои информационные пакеты. Маркер циркулирует по кольцу и любой узел, имеющий данные для передачи, помещает их в свободный марке, устанавливает признак занятости маркера и передает его по кольцу. Узел, которому было адресовано сообщение, принимает его, устанавливает признак подтверждения приема информации и отправляет маркер в кольцо. Передающий узел, получив подтверждение, освобождает марке и отправляет его в сеть. Кольцевая топология используется в сетях, занимающих сравнительно небольшое пространство при любых типах кабелей. Отличается низкой стоимостью, невысоким быстродействием и низкой надежностью. Шинная топология (рис. 6.2) использует в качестве передающей среды любой кабель, по которому данные от передающего узла сети распространяются Узел 3 Узел 1 Узел 2 по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не Узел 6 Узел 4 Узел 5 транслируют поступающих сообРис. 6.2. Шинная топология щений. Сообщение принимает только тот узел, которому оно адресовано. В этой топологии наиболее распространен множественный метод доступа к передающей среде с контролем несущей частоты и обнаружением конфликтов. Узел, желающий передать сообщение, «прослушивает» передающую среду, ожидая ее освобождения. Если среда свободна, узел начинает передачу. ЛВС с шинной топологией обладает высоким быстродействием, простотой наращивания и конфигурирования, легко адаптируется к
различным системам. По этим причинам сети шинной топологии наиболее распространены в настоящее время. Однако они имеют малую протяженность и не позволяют использовать различные типы кабеля в пределах одной сети. В звездообразной топологии (рис. 6.3) вся информация передается через центральный узел, который транслирует, переключает и маршрутизирует информациУзел 1 Узел 2 онные потоки в сети. Для доступа к переЦентральдающей среде исный узел Узел 3 пользуется метод опУзел 4 роса. Клиент формиРис. 6.3. Звездообразная топология рует запрос на сервер для выполнения сложных процедур, чтение файла, поиск информации в базе данных и т.д. Сервер выполняет запрос, поступивший от клиента, и передает результаты клиенту. Такая топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла. Выбор той или иной топологии определяется областью применения ЛВС, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом. В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие сочетания типовых. 6.4.3. Объединение ЛВС. Потребность в объединении ЛВС может возникать по ряду причин. 1. Расширение функциональных возможностей ранее созданной ЛВС. 2. Подключение ЛВС к сетям более высокого уровня с целью выхода на определенные информационные ресурсы. 3. Расширение сети в целом при отсутствии других технических возможностей. Существует несколько способов объединения сетей. Мост – устройство, соединяющее две сети с одинаковыми методами передачи данных. Мост может соединять сети разных топологий, но работающие под управлением однотипных операционных систем. Маршрутизатор (роутер) – устройство, соединяющее сети разного типа, но использующее одну операционную систему. Задача маршрутизатора – отправить сообщение адресату в нужную сеть, и поскольку решается она на сетевом уровне, маршрутизатор зависит от протоколов обмена данными, но не зависит от типа сети. Выбор определенной станции сети производится маршрутизатором с помощью адреса сети и ад-
69
70
реса узла. Маршрутизатор также выбирает наилучший путь для передачи сообщения абоненту сети, фильтрует проходящую через него информацию, направляя в одну из сетей только ту информацию, которая ей адресована. Кроме того, маршрутизатор обеспечивает балансировку нагрузки в сети, перенаправляя потоки сообщений по свободным каналам связи. Шлюз – устройство, позволяющее организовать обмен данными между двумя сетями, использующими различные протоколы взаимодействия. Шлюз объединяет ЛВС различных типов, не зависит от используемой физической среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. С помощью шлюзов можно подключить ЛВС к главному компьютеру, а также к глобальной сети. Мосты, маршрутизаторы и шлюзы конструктивно выполняются в виде плат, которые устанавливаются в компьютерах. Свои функции они могут выполнять как в режиме полного выделения функций, так и в режиме совмещения их с функциями рабочей станции вычислительной сети.
ческому адресу ставится в соответствие доменный (символьный) адрес, определяющий ряд хост-компьютеров (область адресного пространства сети). В отличие от физического адреса доменный адрес читается в обратном порядке: вначале идет имя компьютера, затем имя сети, в которой он находится. Таким образом, доменный адрес записывается следующим образом: <протокол службы>:// <имя компьютера>.<имя домена> [/<путь к файлу>], где в квадратных скобках указан необязательный элемент адреса. Для пользователей Internet адресами могут быть их регистрационные имена на сервере. В этом случае за именем следует знак @ и все это слева присоединяется к имени компьютера (сервера). Географические домены состоят из двух букв (Франция – fr, Канада – са, США – us, Россия – ru и т.д.). Внутри доменов возможно разделение по различным признакам. Так, домены, разделенные по тематическим признакам, имеют трехбуквенное сокращение (учебные заведения – edu, правительственные – gov, коммерческие организации – com и т.д.). В свою очередь, например учебные заведения, разделяются на университеты, колледжи, школы и т.д. В итоге имя домена включает несколько уровней доменов, разделенных точкой. При этом слева от домена верхнего уровня располагаются имена его поддоменов так, что крайним слева оказывается имя самого младшего поддомена. 6.5.2. Службы Internet. Каждая служба предоставляет пользователю определенного рода услуги и поддерживается своими (прикладными) протоколами. Для работы с прикладными протоколами необходимо установить соответствующие программы-клиенты. Ниже приводится краткая характеристика основных служб (услуг) современной глобальной сети Internet. Telnet – дает возможность пользователю работать с удаленным компьютером как со «своим». Такое управление называют терминальным. Служба Telnet используется для проведения сложных математических расчётов на удалённых вычислительных центрах, для дистанционного управления телескопами, видеокамерами и промышленными роботами. E-mail – электронная почта. Главным ее преимуществом является независимость от времени. Электронные письма могут содержать текст, а также графические, звуковые и двоичные файлы. WWW (Всемирная информационная сеть) – гипертекстовая информационно-поисковая система. Гипертекст – текст, содержащий в себе связи с другими текстами, графической, видео- или звуковой информацией. В документе гиперссылка представлена выделенным фрагментом текста. Гипертекстовые документы формируются с помо-
6.5. Глобальная сеть Internet 6.5.1. Структура и система адресации. Internet объединяет глобальные вычислительные сети всего мира. Основные ячейки Internet – ЛВС. Это значит, что Internet не просто устанавливает связь между отдельными компьютерами, а создает пути соединения для более крупных единиц – групп компьютеров. Компьютеры, самостоятельно подключенные к Internet, называются хосткомпьютерами (host – хозяин). Управляет хост-компьютером его собственник, называемый провайдером или, иначе, поставщиком услуг Internet. Схема подключения ЛВС к Internet приведена на рис. 6.4. Важной особенностью Internet является то, что она не создает никакой иерархии – все компьютеры, подключенные к сети, равноправны. Для каждого компьютек Internet ра устанавливается физический IP-адрес (IP – межсетеМаршрутизатор вой протокол), состоящий из четырех десятичных чисел Сервер (адрес сети – два числа, адрес локальной сети подсети и адрес компьютера в подсети), разделенных точРабочая Рабочая Рабочая Рабочая кой. Каждое из этих чисел станция станция станция станция имеет значение от 0 до 255. Физический адрес неудобен Рис. 6.4. Подключение сетей к Internet для человека, поэтому физи-
71
72
щью специального языка HTML (языка разметка гипертекста). Блоки данных (страницы) сети WWW размещаются на отдельных компьютерах, называемых Web-серверами и принадлежащих отдельным организациям или частным лицам. Наименьший документ сети, имеющий собственный доменный адрес, называется Web-страницей. Группа тематически объединенных Web-страниц, размещенных на одном сервере, называется сайтом. Таким образом, с помощью гипертекстовых ссылок, размещенных на Web-страницах, пользователь может быстро переходить от одного документа к другому, от сайта к сайту, от сервера к серверу. Программы, предназначенные для просмотра Web-страницы, называют браузерами (обозревателями). В настоящее время браузеры становятся универсальными клиентами, позволяющими получать файлы, почту, новости, видеоконференции, радиопередачи. В России наибольшее распространение получили браузеры Internet Explorer (IN) и Netscape Navigator (NN). Usenet – телеконференции, распространение новостей и всех сообщений Internet. Телеконференция подобна доске объявлений, на которой любой может читать и писать. Услуга поддерживается протоколом NNTP. FTP – обмен отдельными файлами и целыми программами. Поддерживается протоколом ftp. Если связь установлена, появится приглашение ввести имя пользователя. Пользователь, не зарегистрированный на FTP-сервере, может представиться именем «anonymous». При запросе пароля можно ввести свой адрес электронной почты. IRC – прямое общение нескольких человек в режиме реального времени. Этот вид услуг называют еще чат-конференцией. ICQ – Internet-пейджер, позволяющий вести двухсторонний обмен информацией в режиме реального времени. Программа автоматически ищет заранее отобранных людей и уведомляет пользователя об их подключении к сети. Internet Phone – Интернет-телефония. Речь преобразуется в цифровой файл, который передается по сети. Возможна также передача видеоизображения, обмен текстовыми сообщениями, совместное использование графического редактора, обмен файлами. 6.5.3. Поиск информации в WWW. Чтобы открыть Web-страницу по известному адресу достаточно в адресную строку браузера ввести соответствующий адрес или адрес страницы, содержащей ссылку на нужную страницу. Однако обычно месторасположение нужной информации неизвестно и найти ее можно лишь с помощью поисковой службы. Основными из зарубежных поис-
ковых служб являются Yahoo!, AltaVista, Inktomi, Excite. Из отечественных – Aport, Atrus, Rambler, Yandex. По способу формирования баз данных существует два вида поисковых систем – поисковые каталоги и поисковые индексы. Поисковые каталоги предназначены для поиска по темам. Крупнейшим поисковым каталогом мира на сегодняшний день считается Yahoo!. Принцип действия поискового каталога заключается в следующем. На начальной странице поискового каталога пользователь выбирает интересующую его тему. Затем в рамках темы выбирает категорию, потом подкатегорию, и так далее, пока не получает конкретный список Web-страниц, рекомендованных для просмотра. Данные заносятся в каталоги редакторами, людьми, поэтому поисковый каталог обеспечивает высокое качество поиска. Поисковые указатели (индексы) обеспечивает поиск по заданным ключевым словам. Ключевое слово – это любое слово естественного языка в любом падеже, в наибольшей степени отражающее содержание искомого документа. Принцип действия поискового указателя заключается в следующем. Пользователь с помощью ключевых слов формирует запрос – набор ключевых слов или словосочетаний. В ответ поисковая система выдает список ссылок на Web-страницы, содержащие данные ключевые слова в любых сочетаниях. В этом случае поиск полностью автоматизирован, то есть отсутствует «человеческий фактор», поэтому количественно результат поиска намного превышает результаты поиска по каталогам. Эффективно сузить поиск можно с помощью арифметических или логических операторов. Для поиска Web-страниц, на которых одновременно присутствуют все ключевые слова надо перед каждым из них поставить знак «+» или соединить их оператором AND (И). Команду AND поддерживают абсолютное большинство основных поисковых служб, за исключением Google, Infoseek, LookSmart и Yahoo!, использующих знак «+». Апорт 2000 позволяет использовать английское AND, русское И, а также знаки «&» и «+». Система Rambler использует AND или знак «&». Система Yandex – знак «&» или пробел, если требуется одновременное присутствие слов в одном предложении, либо пару знаков «&&», если требуется одновременное присутствие слов во всем документе. Результат поиска будет тем точнее, чем больше ключевых слов в запросе. С целью исключения вопросов, связанных с данной темой, но в настоящее время не представляющих интереса, используется знак "-" или оператор NOT (НЕТ). Эту команду поддерживает большинство служб, за исключением Google, Infoseek, LookSmart и Yahoo!. Системы AltaVista, Excite, Snap требуют специальной формы записи этой команды: вместо NOT в них следует давать команду AND NOT. Наряду с
73
74
командой NOT в системе Апорт 2000 разрешается использовать команду НЕ, а в системе Rambler – команду «!». Система Yandex реализует команду И НЕ, которая записывается значком «∼», если относится к одному предложению и парой значков «∼∼», если относится ко всему документу. Например, требуется найти всю информацию по оптике, но только по геометрической оптике, а не по волновой. Тогда запрос должен быть оформлен как «+свет +оптика–волна» или как «свет AND оптика NOT волна». Для поиска Web-страниц, содержащих ключевые слова в любом падеже, используется подстановочный символ «*». Например, по запросу +свет* +оптик* -волн* отыщется и документ с таким предложением как «В геометрической оптике световой луч рассматривается как прямая линия». Для поиска документов, абсолютно точно содержащих некоторый текст, запрос оформляется в виде этого текста, заключенного в кавычки. Оператор NEAR позволяет разыскать документы, в которых ключевые слова присутствуют не просто одновременно, а находятся поблизости друг от друга. Максимальный интервал между словами задают параметром /# (# – цифра или число, указывающее максимально допустимое расстояние между ключевыми словами). Например, команда ночь NEAR/10 река позволит разыскать документы, в которых есть описание реки ночью, если слова ночь и река отстоят друг от друга не более чем на 10 слов. В системе Rambler аналогичная команда имеет вид $NEAR:. В системе Апорт 2000 расстояние между словами задается командой СЛ# (…, …, …), где вместо многоточий следует подставить список ключевых слов. В системе Yandex расстояние задается в круглых скобках после дробной черты: …/ (-# #). При этом указывать расстояния можно как «вперед», так и «назад». Команда NEAR дает лучшие результаты поиска. Вложение операторов позволяет создавать весьма сложные запросы. Выполняется вложение с помощью круглых скобок, команда в которых выполняется первой. К сожалению, каждая поисковая система имеет свой синтаксис написания запросов. Поэтому перед формированием сложных запросов следует уточнить правила использования логических и других операторов. В последнее время многие поисковые системы превращаются в порталы. Это означает, что задача поиска передается на партнерских основаниях «третьим» фирмам, а сами поисковые системы сосредоточиваются на обслуживании клиентов и привлечении рекламодателей. Порталом называется начальная страница браузера, на которой уже
представлено несколько ссылок на основные поисковые системы, имеется доступ к электронной почте, отображаются последние новости из мира политики, искусства, спорта, бизнеса и т.п. 6.6. Принципы защиты информации в сетях Защита информации необходима для уменьшения вероятности утечки (разглашения), модификации (умышленного искажения) или утраты (уничтожения) информации, представляющей определенную ценность для ее владельца. Разработкой и исследованием методов шифрования информации занимается криптография. Под шифрованием понимается преобразование информации, в результате которого исходные данные становятся нечитаемыми и трудно раскрываемыми без знания специальной информации – ключа. По характеру использования ключа различают симметричные (с секретным ключом) и несимметричные (с открытым ключом) методы шифрования. В первом случае (рис. 6.5) в шифраторе отправителя и дешифраСекретный ключ
Секретный ключ Текст
Шифратор
Отправитель
Шифрограмма Канал связи
Дешифратор
Текст
Получатель
Рис. 6.5. Симметричный метод шифрования торе получателя используется один и тот же ключ. Шифратор образует шифрограмму, которая является функцией открытого текста. Вид функции преобразования (шифрования) определяется секретным ключом. Дешифратор получателя выполняет обратное преобразование. Секретный ключ хранится в тайне. Во втором случае (рис. 6.6) получатель по открытому каналу передает отправителю открытый ключ, с помощью которого отправитель Открытый ключ Текст
Шифратор
Отправитель
Секретный ключ Шифрограмма Канал связи
Дешифратор
Текст
Получатель
Рис. 6.6. Несимметричный метод шифрования шифрует информацию. Получатель дешифрирует ее с помощью секретного ключа. Перехват открытого ключа не позволяет дешифрировать сообщение, так как оно рассекречивается лишь вторым секретным ключом.
75
76
Методы шифрования можно разделить на 4 группы: методы перестановки, замены, аддитивные и комбинированные методы. В методе замены все буквы исходного текста остаются без изменения, но перемещаются на другие позиции. Перестановки получаются в результате записи исходного текста по разным путям некоторой геометрической фигуры. В методе замены позиции букв не меняются, но буквы заменяются символами другого алфавита, в частности числами. Например, при латинской раскладке клавиатуры использовать клавиши с русскими буквами. В аддитивном методе к числам, заменяющим буквы, добавляются числа секретной псевдослучайной числовой последовательности. Комбинированные методы предполагают использование нескольких методов в определенной последовательности. Существует еще один подход к передаче секретных сообщений. Заключается он в сокрытии самого факта передачи информации, для чего сообщение заключается в специальный контейнер. Например, текст внедряется в рисунок цветка на поздравительной открытке. Такими способами шифрования занимается стеганография.
более чем двумя элементарными операциями. Полученное выражение отобразить в виде структурной схемы – совокупности условных графических изображений соответствующих логических элементов и связей между ними. 3. На имя своего непосредственного начальника с помощью шаблона Служебная записка программы MS Word оформить просьбу о переоснащении вашего рабочего места. В первом абзаце описать средства вычислительной и офисной техники, имеющиеся на рабочем месте в настоящее время. Во втором абзаце дать краткую характеристику желаемому оборудованию. В третьем абзаце привести обоснование необходимости переоснащения (например, «Установка вышеперечисленного N1
Таблица 7.1. Логическое выражение Q Q N1
Q
0
А∧(В∨С) ∨ В∨С
5
А∧( В∨С ∨ В∧С)
1
А∨В∧С ∨ А∧В∨С
6
А⊕В∧С ∨ А∧В∧А∧В∧С
2
А∧В∧С ∨ В∧С
7
А∧(В∧С) ∧ В∧С
7. Контрольная работа
3
А∨В∧С ∨ А∧В∨С
8
(А∨В∨С)∧(А∨В∨С)
«Арифметическо-логические основы ЭВМ и технологии создания комплексных документов в MS Word»
4
А⊕В∨С ∨ (А⊕В)∨С
9
(А∨В∨С)∧А∧В∧С
7.1. Задания контрольной работы 1. Перевести заданные числа из одной системы счисления в другую. Исходными являются два десятичных числа А10 = N3N2N1 и В10 = N1N2N3, где N3, N2, N1 – три последние цифры номера зачетной книжки и цифра N1 расположена в младшем его разряде. Если А10 = В10, увеличить А10 на 40, а В10 на 30 и ограничить результат тремя младшими разрядами. Число А10 перевести в 16-ричную систему счисления, а затем полученное 16-ричное число А16 – в двоичную систему счисления. Число В10 перевести в двоичную систему счисления, а затем полученное двоичное число В2 – в 16-ричную систему счисления. 2. Вычислить арифметико-логическое выражение у = Q – C (С = (А+В)/2) в двоичной и в 16-ричной системах счисления. Каждый из результатов представить десятичным числом со знаком. Операцию вычитания выполнить с использованием обратного кода при нечетном значении N2 и дополнительного кода – при четном значении N2. Логическое выражение Q выбрать из табл. 7.1 и с помощью законов и тождеств алгебры логики предварительно упростить до ФАЛ с не
позволит …»). Для каждого абзаца использовать индивидуальный шрифт, отличный от Times New Roman. Отступ первой строки абзаца 1,5 см, межстрочный интервал – полуторный. Начертание букв первого абзаца – курсив, второго – полужирный, третьего – обычный с подчеркиванием двойной волнистой линией. Весь текст выровнять по ширине. Высота букв текста 14 пт. Заголовок оформить стилем «Заголовок 1» и выровнять по центру. 4. Средствами MS Word создать два объекта в виде математических формул. Формулы и параметры их элементов приведены в табл. 7.2. При написании формул использовать стиль «текст». 5. Средствами MS Word создать таблицу, в которую поместить: − 10 значений каждой из переменных, рассчитанных по формулам п.4 заданий с помощью любых вычислительных средств, для целых значений аргументов из указанных диапазонов их изменения; − суммарные и средние значения переменных, вычисленные для каждого значения аргументов с помощью встроенных функций MS Word; − максимальные и минимальные значения расчетных величин, вычисленные с помощью встроенных функций MS Word.
77
78
Образец таблицы приведен на рис. 7.1. Таблица … Расчетные данные Значения аргументов Параметр Макс. Мин. значение па- значение … раметра параметра Значения параметра <имя переменной 1> … <имя переменной 2> … Сумма … Ср. знач. … Рис. 7.1. Образец таблицы, создаваемой в задании 5
N1
Таблица 7.2. Математические формулы и параметры их элементов Параметры, пт обыч. круп. круп. Формулы сим- ин- символ декс вол 12
⎧ x + tgx, x = 3; y=⎨ ; z = (cos k + sin k ) k =1 ⎩ x cos x, x > 3. 2 18 ⎧ x ln x , x > 4; ; z = ∑ (cos k + sin k ) 1 b=⎨ k =1 ⎩ x cos x, x < 3. 0
∏
15 ⎧10 x , x > 2; 2 t=⎨ ; s = ∏ ( А 2 + ln nС ) n =1 ⎩cos x , x < 1.
3 4
12 ⎧ x − cos x, x < 0; y=⎨ ; t = ∑ x sin nА n =1 ⎩tgx − 1, x > 2. 13 ⎧2 − 3 cos x, x < 3; f =⎨ ; z = В cos n 2 В ∏ 2 n =1 ⎩5 cos x, x = 4.
17 ⎧x − sin x , x < −3; 5 t=⎨ 2 ; u = ∑ n sin 2 (n 2 А) n =1 ⎩ln x , x > 0. 20 ⎧x cos x , x < 2; 6 c=⎨ 2 ; y = ∏ С cos( x + 1) z =1 ⎩x sin x , x ≥ 3.
12
3
14
14
4
16
15
4
17
10
2,5
12
16
4
18
12 ⎧x − ln x , x > 2; b=⎨ ; t = ∑ x sin nА n =1 ⎩cos x, x = −0.5. 10 ⎧x − cos x, x > 10; 8 y=⎨ ; t = ∏ x sin nА n =1 ⎩tgx − 1, x ≤ 2.
7
9
5
15
14
3
18
7
18
10
4
14
15
6
18
6. По данным таблицы, полученной в предыдущем пункте, с помощью встроенных средств MS Word создать диаграмму изменения переменных. Диаграмму разместить рядом с таблицей. Тип диаграммы – график с маркерами. На диаграмме не должно быть: линий проекции, подписи и таблицы данных. Обязательны следующие элементы диаграммы: сетка по осям Х и Y, наименование осей и легенда. Параметры основных из обязательных элементов диаграммы заданы в табл. 7.3. N1
12
10 ⎧⎪a ln x + | x | , x > 1; a = 0.9. ; t = ∑ 5 lg АВn y=⎨ n=2 ⎪⎩2a cos x + 3x 2 , x ≤ 1.
16
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Таблица 7.3. Параметры основных элементов диаграммы Расположение Тип маркера Тип линий графиков легенды без тени сплошная ( ) внизу с тенью широкий пунктир ( ) вверху без тени штрих-пунктир ( ) справа с тенью короткий пунктир ( ) слева без тени штрих-пунктир ( ) в правом верхнем углу с тенью короткий пунктир ( ) вверху без тени штрих-пунктир ( ) внизу с тенью сплошная ( ) в правом верхнем углу без тени широкий пунктир ( ) справа с тенью штрих-пунктир ( ) слева
7.2. Требования к оформлению отчетного документа Отчет о ходе выполнении контрольной работы оформляется в текстовом процессоре MS Word. Электронная версия отчета сохраняется на дискете и доставляется студентом по прибытии на сессию. «Твердая» (бумажная) копия документа предоставляется для рецензии до сессии в виде сброшюрованной папки. Папка начинается титульным листом (рис. 7.2) с подписью исполнителя. Рамка на титульном листе обязательна. Второй лист отводится
79
80
Поволжская государственная академия телекоммуникаций и информатики
чается для рецензии проверяющим и оставляется пустым. Все листы папки, за исключением титульного листа, нумеруются. Нумерацию располагать в верхнем колонтитуле справа. Текст печатается шрифтом Times New Roman (за исключением п.3 заданий) размером 14 пт. Поля: левое – 2,5 см, правое – 1 см, верхнее и нижнее по 1,5 см. Отступ первой строки абзаца 1 см, междустрочный интервал одинарный. На последнем листе приводится список использованной литературы. Заполнение листов одностороннее. Выполнение каждого задания (за исключением третьего) сопровождается пояснительным текстом с описанием последовательности действий, а при использовании средств MS Word – технологии работы с ними. Математические операции и формулы, таблицы, схема, диаграмма оформляются в виде автономных цельных объектов и размещаются в пояснительном тексте.
Сдана на проверку «_____»___________ 200_г.
Допустить к защите «_____»___________200_г. Защищена с оценкой «_____»___________200_г.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ИНФОРМАТИКЕ Арифметическо-логические основы ЭВМ и технологии создания комплексных документов в MS Word
Пояснительная записка на ____листах
Студент(ка) группы
(роспись)
Фамилия И. О. № зач. кн. _________
Руководитель
Фамилия И. О.
Самара 200_ г. Рис. 7.2. Образец оформления титульного листа для содержания, где перечисляются выполняемые задания с обязательным указанием номеров страниц. Содержание формируется с использованием соответствующих средств MS Word. Третий лист предназна-
7.3. Методические указания к выполнению контрольной работы Методика перевода чисел из одной системы счисления в другую изложена на стр.18-19 данного методического пособия. При алгебраической минимизации (упрощении) ФАЛ наиболее часто используются законы двойственности и двойной инверсии. Например, приведем ФАЛ у = а∧b∧c ∧ а∧b∧c ∧ а∧b∧c ∧ а∧b∧c к ФАЛ с двумя элементарными операциями. Прежде всего, воспользуемся законом двойственности, позволяющим выразить конъюнкцию через дизъюнкцию и инверсию: у = а∧b∧c ∨ а∧b∧c ∨ а∧b∧c ∨ а∧b∧c. Теперь сгруппируем первое слагаемое с четвертым, а второе с третьим и вынесем за скобки в первой группе переменную а, а во второй группе переменную а: у = а∧(b∧c ∨ b∧c) ∨ а∧(b∧c ∨ b∧c). Нетрудно видеть, что ФАЛ в пер-
вой скобке представляет собой равнозначность (b∾с) = b⊕с, а во второй скобке – исключающее ИЛИ b⊕с. Обозначив b⊕с = z, получаем: у = а∧z ∨ а∧z = а⊕z. Подставляя вместо z ее значение, окончательно получаем: у = а ⊕ b ⊕ с. Структурная схема, технически реализующая ФАЛ, строится согласно приоритетности логических операций (см. стр. 19): сначала реализуются операции инверсии, стрелка Пирса, штрих Шеффера и равнозначность. Затем операция конъюнкция и, наконец, операции типа дизъюнкции. В рассмотренном примере обе операции однотипны, поэтому порядок их реализации роли не играет. Значение имеет лишь то, что выполняются они последовательно. Таким образом, структурная схема устройства, реализующего полученную ФАЛ у(a, b, c), имеет вид:
81
82
Чтобы объединить все компоненты графического объекта в единое целое, они выделяются а =1 =1 у (кнопка Выбор объектов панели инструментов b Рисование), после чего в выпадающем меню с пункта Действия той же панели инструментов выбирается команда Группировать. При создании и форматировании текста в MS Word используется панель инструментов Форматирование, окна диалога Шрифт и Абзац (открываются одноименными командами пункта меню Формат), а также команда Сервис/Язык/Расстановка переносов. При необходимости используется один из шаблонов MS Word (Файл/Создать…/Общие шаблоны). С правилами пользования тем или иным шаблоном можно ознакомиться, открыв щелчком мыши конверт, размещенный в поле шаблона. Средством ввода математических выражений при оформлении научно-технической документации в MS Word является редактор формул Microsoft Equation 3.0. Для запуска редактора формул служит команда Вставка/Объект... В открывшемся окне диалога Вставка объекта следует выбрать пункт Microsoft Equation 3.0 – откроется панель инструментов Формула. Кроме того, строка меню текстового процессора заменится строкой меню редактора формул. Прежде чем пользоваться редактором формул, следует выполнить его настройку. Назначение шрифтов для различных элементов формул выполняется в диалоговом окне Стили (Стиль/Определить…). Размеры различных элементов формул задаются в окнах диалога Интервал (Формат/Интервал…) и Размеры (Размер/Определить…). Панель инструментов редактора формул содержит два ряда кнопок. Кнопки нижнего ряда создают своеобразные шаблоны, содержащие поля для ввода символов. Заполнение этих полей может производиться как с клавиатуры, так и с помощью кнопок верхней строки панели инструментов. В редакторе формул не работает клавиша Пробел, поскольку необходимые интервалы между символами создаются автоматически. Однако при необходимости их можно вводить с помощью кнопки Пробелы и многоточия панели инструментов. MS Word обладает тремя основными средствами создания таблиц: − кнопка Добавить таблицу на панели инструментов Стандартная; − окно диалога Вставка таблицы (Таблица/Вставить/Таблица); − средство рисования таблиц Таблицы и границы (Таблица / Нарисовать таблицу).
Редактирование структуры таблиц сводится к добавлению заданного количества строк и/или столбцов, удаление выделенных ячеек, строк, столбцов, слияние выделенных ячеек, разбиение выделенных ячеек. Средства для выполнения этих операций находятся в меню таблица или доступны через контекстные меню выделенных объектов. Ячейку выделяют тройным щелчком левой кнопки мыши. Строку – одним щелчком при расположении указателя мыши слева за пределами таблицы. Столбец – одним щелчком при расположении указателя мыши (должен иметь вид черной стрелки) над столбцом за пределами таблицы. Форматирование таблиц заключается в управлении размерами структурных элементов таблицы (ячеек, строк, столбцов и т.п.). Форматирование можно выполнять в командном или интерактивном режиме. В первом случае используют окно диалога Свойства таблицы (Таблица/ Свойства таблицы). Можно использовать автоматическое форматирование таблиц (Таблица/Автоформат). При этом необходимо таблицу предварительно выделить. Во втором случае используют маркеры, появляющиеся при наведении указателя мыши на таблицу или ее элементы. Большинство команд, связанных с форматированием содержимого таблиц, можно выполнить с помощью панели инструментов Форматирование. Простые вычисления в таблицах можно выполнить непосредственно в MS Word. Необходимую информацию предлагается получить самостоятельно с помощью справочной системы MS Word и ключевых слов «выполнение вычислений в таблице». Для создания в MS Word диаграммы на основе имеющейся таблицы необходимо выполнить следующую последовательность действий: − в исходной таблице выделить данные, которые будут использоваться при построении диаграммы. Скопировать выделенную часть исходной таблицы в буфер обмена; − вызвать базовую диаграмму вместе с базовой таблицей командой Вставка/Объект/Диаграмма Microsoft Graph; − выделить содержимое базовой таблицы щелчком мыши на ячейке, образованной пересечением заголовков строк и столбцов в левом верхнем углу; − командой Вставить контекстного меню заменить содержимое базовой таблицы содержимым буфера обмена; − в окне диалога Тип диаграммы (Диаграмма/Тип диаграммы) выбрать заданный тип диаграммы; − с помощью вкладок окна диалога Параметры диаграммы (Диаграмма/Параметры диаграммы) добавить необходимые элементы диаграммы (заголовки осей, легенду, линии сетки и т.п.).
83
84
Форматирование отдельных элементов диаграммы выполняется с помощью соответствующих окон диалога, вызываемых двойным щелчком мыши по этим элементам. Оглавление документа создается в следующем порядке: − отформатировать заголовки встроенными стилями «Заголовок 1» (для заголовков первого уровня, например глав), «Заголовок 2» (для заголовков второго уровня, например параграфов) и т.д. − поместить курсор на место вставки оглавления; − выбрать команду Вставка/Оглавление и указатели; − на вкладке Оглавление указать количество уровней заголовков, задать элементы оглавления и выбрать один из готовых стилей оглавления.
24. Пакеты прикладных программ. 25. Инструментарий технологии программирования. 26. Понятие файла. 27. Организация доступа к файлу. 28. Архивация файлов. 29. Обслуживание магнитных дисков. 30. Защита от компьютерных вирусов. 31. Типовая структура интерфейса текстового процессора. 32. Работа с текстом: установка параметров страницы, выделение фрагмента, форматирование. 33. Работа с текстом: поиск и замена, операции сохранения, проверка правописания слов и синтаксиса, шаблоны, словарь синонимов. 34. Интерфейс табличного процессора и форматирование данных в ячейках. 35. Типы данных электронной таблицы. 36. Копирование и перемещение формул в электронной таблице. 37. Работа с электронной таблицей как с базой данных. 38. Обобщенная структура вычислительной сети. 39. Характеристики процесса передачи данных. 40. Аппаратные средства коммуникационной среды. 41. Компоненты и характеристики коммуникационной сети. 42. Протоколы компьютерной сети. 43. Особенности организации локальных вычислительных сетей. 44. Типовые топологии локальных вычислительных сетей. 45. Способы объединения локальных вычислительных сетей. 46. Структура и система адресации в глобальной сети Internet. 47. Службы в Internet. 48. Поиск информации в WWW. 49. Принципы защиты информации в сетях.
8. Перечень контрольных вопросов 1. Понятие и формы адекватности информации. 2. Меры информации. 3. Качество информации. 4. Понятие и структура информационной технологии. 5. Понятие информационной технологии обработки данных. 6. Понятие информационных технологий управления и автоматизированного офиса. 7. Понятие информационной технологии поддержки принятия решений. 8. Понятие информационной технологии экспертных систем. 9. Формы представления двоичных чисел. 10. Форматы представления данных в ЭВМ. 11. Кодирование чисел двоичным кодом. 12. Логические основы построения ЭВМ. 13. Арифметические операции в ЭВМ. 14. Базовая аппаратная конфигурация ПК. 15. Структура системного блока ПК. 16. Принцип программного управления ЭВМ. 17. Основные системы материнской платы: процессор. 18. Основные системы материнской платы: основная память, энергонезависимая память CMOS, системная шина. 19. Периферийные устройства ввода данных. 20. Периферийные устройства вывода данных. 21. Периферийные устройства внешнего хранения данных. 22. Процесс создания программного обеспечения. 23. Понятие системного программного обеспечения.
