Локальные и глобальные сети эвм основы компьютерной коммуникации. Принципы построения сетей. Компьютерная сеть

Локальные и глобальные сети ЭВМ
Основы компьютерной коммуникации. Принципы построения сетей.
Компьютерная сеть – это совокупность компьютеров, между которыми возможен
информационный обмен без промежуточных носителей информации.
Для создания сети входящие в нее компьютеры должны быть связаны каналами
передачи информации – каналами связи, а на компьютерах – установлено специальное
программное обеспечение, организующее работу в сети, - программы управления сетью.
Технология работы в сети и возникающие при этом возможности зависят как от
способов организации каналов связи, так и от программного обеспечения. Виды каналов
связи и организуемые с их помощью сети представлены на рисунках.
Соединение
компьютеров через
порты
Временная сеть из двух ПК
Способ связи
Нуль-модемный
кабель
Инфракрасный
луч
Рисунок – Временная сеть
Соединение с
использованием
сетевой карты
Локальные сети
Одноранговая
сеть
Иерархическая
сеть
Рисунок – локальные сети
1
Распределенные специальные сети
Соединение
по каналам
связи
Глобальные сети общего доступа
(в том числе Интернет)
Другие способы связи ПК
Прямая
связь
Удаленный
доступ в
сеть
BBS
Рисунок 97 – сети, организованные с помощью каналов связи
Простейшая компьютерная сеть – образуется при соединении двух недалеко
отстоящих друг от друга компьютеров с помощью специального кабеля, называемого нуль
- модемом, который подключается к последовательным или параллельным портам обоих
компьютеров.
В настоящее время получили развитие инфракрасные порты, позволяющие
организовать соединение компьютеров напрямую без кабеля.
Локальная вычислительная сеть – компьютеры внутри одного здания
стационарно соединяются специально предназначенными для этого кабелями. Между
компьютерами организуется информационный обмен. Сеть LAN (Local Area Net).
Распределенная сеть. Значительно удаленные друг от друга компьютеры
(например, расположенные в разных концах города или в разных городах), между
которыми необходимо организовать постоянный обмен большими потоками информации,
соединяются специальными постоянно действующими выделенными каналами. По своему
функциональному назначению эти сети эквивалентны локальным сетям. Сеть MAN
(Metropolitan Area Net).
Глобальная сеть. Сеть компьютеров, распределенных по всему миру и постоянно
связанных каналами с очень высокой пропускной способностью, на которых имеется
большой объем разнообразной информации, доступной на коммерческой основе всем
желающим, называется глобальной сетью или WAN (Wide Area Net). Наиболее известной
глобальной сетью является сеть INTERNET, хотя имеются и другие (MSN Microsoft on
Line, America on Line и др.).
Существуют также еще сети терминалов или терминальные сети. Эти сети
связывают мощные компьютеры - мэйнфреймы со специальными устройствами
терминалами, которые могут быть достаточно сложными, но вне сети их работа
невозможна. Примерами терминальных сетей могут служить сеть банкоматов, сеть
кассовых аппаратов и пр. Они строятся несколько иначе, чем компьютерные сети,
поэтому мы их рассматривать не будем.
Прямая связь. Это простейший способ связи двух обычных компьютеров и
организации обмена информацией между ними без посредников и дополнительной
оплаты. Соединение по модему с помощью специальных коммутационных программ,
например, Hyper Terminal.
Удаленный доступ. Этот способ подключения к отдельному ПК или локальной
сети, после чего удаленный ПК становится полноправной рабочей станцией сети, а модем
одновременно выполняет функции сетевой карты. Подключение выполняется с помощью
2
специальных программ удаленный доступ к сети. Соединение по модему или по
выделенному каналу с помощью провайдеров.
Связь с доской объявлений (BBS). Подобные системы называют досками
объявлений – Bulletin Board Services (BBS). В этом случае происходит соединение с
компьютером или локальной сетью, в которой имеются база данных и специальное
программное обеспечение, реализующее язык запросов, поиск в базе необходимой
информации и ее копирование на ПК абонента. Для работы с BBS могут использоваться
как коммутационные программы, так и специальное программное обеспечение, которое
обычно считывается с самой BBS после первого обращения к ней с помощью
коммутационной программы. Подключение к BBS осуществляется с помощью
коммутационной программы Hyper Terminal – эта программа может организовать связь
между двумя компьютерами или с BBS.
Удаленный доступ к отдельному компьютеру и к локальной сети. В этом
случае клавиатура подключаемого компьютера становится как бы клавиатурой
подчиненного. Связь устанавливают программой «Сервер удаленного компьютера». Во
время работы этой программы устанавливают протоколы и пароль доступа к ПК
пользователя. При удаленном доступе компьютер, к которому производится подключение,
функционирует как сервер, а ПК, с которого производится подключение, выступает как
клиент.
Виды и топология локальных сетей
В современных локальных сетях можно говорить о следующих соотношениях
узлов в сети:

одноранговые (Peer to Peer) - небольшие сети равноправных компьютеров
– рабочих станций, где каждый узел может являться и клиентом и сервером;

распределенные (Distributed) - сеть без лидера, в которой сервером
называется машина, программа или устройство, обеспечивающее сервис, но не
управление сетью (например, UNIX Usenet).

сети с централизованным управлением или основанные на сервере
(Server based), наделяющим остальные узлы правами использования ресурсов (сети
среднего и большого размеров). Понятие «клиент-сервер» в этом контексте подчеркивает
меньшую самостоятельность узлов-клиентов таких сетей, хотя чаще принимается как
название одного из методов распределенной обработки информации.
Топология сетей, то есть их физическая организация, определяющая расположение
узлов и соединений бывает следующих видов: шина (Bus), кольцо (Ring), звезда (Star),
сетка (Mesh), дерево (Tree).
Сети с большой нагрузкой требуют более эффективных методов доступа. Один из
способов повышения эффективности - перенос управления доступом от узлов в кабельные
центры (хабы). При этом узел посылает пакет в интеллектуальный хаб по своей
готовности. Задача хаба обеспечить пересылку пакета к адресату с оптимизацией общей
производительности сети, возможно, используя коммутацию каналов.
Сетевая архитектура
Основной задачей, решаемой при создании компьютерных сетей, является
обеспечение совместимости оборудования по электрическим и механическим
характеристикам и обеспечение совместимости информационного обеспечения (программ
и данных) по системе кодирования и формату данных. Решение этой задачи относится к
области стандартизации и основано на так называемой модели OSI (модель
взаимодействия открытых систем – Model оf Open System Interconnections). Она создана на
основе технических предложений Международного института стандартов ISO
(International Standards Organization).
3
Сетевая архитектура определяет среду передачи, метод доступа и формат пакетов.
Согласно модели ISO/OSI архитектуру компьютерных сетей следует рассматривать на
разных уровнях (общее число уровней — до семи). Самый верхний уровень —
прикладной. На этом уровне пользователь взаимодействует с вычислительной системой.
Самый нижний уровень — физический. Он обеспечивает обмен сигналами между
устройствами. Обмен данными в системах связи происходит путем их перемещения с
верхнего уровня на нижний, затем транспортировки и, наконец, обратным
воспроизведением на компьютере клиента в результате перемещения с нижнего уровня на
верхний. Простейшая модель обмена данными в компьютерной сети показана на рисунке
98.
Компьютер
отправителя
Компьютер
получателя
Уровни модели OSI
канал связи
Рисунок 98 – Простейшая модель обмена данными в компьютерной сети
Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных
уровней архитектуры компьютерной сети действуют специальные стандарты,
называемые протоколами. Они определяют характер аппаратного взаимодействия
компонентов сети (аппаратные протоколы) и характер взаимодействия программ и
данных (программные протоколы). Физически функции поддержки протоколов
исполняют аппаратные устройства (интерфейсы) и программные средства (программы
поддержки протоколов). Программы, выполняющие поддержку протоколов, также
называют протоколами.
Так, например, если два компьютера соединены между собой прямым
соединением, то на низшем (физическом) уровне протокол их взаимодействия определяют
конкретные устройства физического порта (параллельного или последовательного) и
механические компоненты (разъемы, кабель и т. п.). На более высоком уровне
взаимодействие между компьютерами определяют программные средства, управляющие
передачей данных через порты. Для стандартных портов они находятся в базовой системе
ввода/вывода (BIOS). На самом высоком уровне протокол взаимодействия обеспечивают
приложения операционной системы. Например, стандартная программа «Прямое
кабельное соединение».
В соответствии с используемыми протоколами компьютерные сети принято
разделять на локальные (LAN — Local Area Network) и глобальные (WAN — Wide Area
Network). Компьютеры локальной сети преимущественно используют единый комплект
протоколов для всех участников.
Локальные сети отличаются компактностью. Они могут объединять
компьютеры одного помещения, этажа, здания, группы компактно расположенных
сооружений.
Глобальные сети имеют увеличенные географические размеры и могут объединять
как отдельные компьютеры, так и отдельные локальные сети, даже если они используют
разные протоколы.
Назначение всех видов компьютерных сетей определяется двумя функциями:
4

обеспечение совместного использования аппаратных и программных
ресурсов сети;

обеспечение совместного доступа к ресурсам данных.
Так, например, все участники локальной сети могут совместно использовать
одно общее устройство печати (сетевой принтер) или, например, ресурсы жестких
дисков одного выделенного компьютера (файлового сервера). Это же относится и к
программному, и к информационному обеспечению. Если в сети имеется специальный
компьютер, выделенный для совместного использования участниками сети, он
называется файловым сервером.
Компьютерные сети, в которых нет выделенного сервера, а все локальные
компьютеры могут общаться друг с другом на «равных правах» (обычно это небольшие
сети), называются одноранговыми.
Группы сотрудников, работающих над одним проектом в рамках локальной
сети, называются рабочими группами. В рамках одной локальной сети могут работать
несколько рабочих групп. У участников рабочих групп могут быть разные права для
доступа к общим ресурсам сети.
Совокупность приемов разделения и ограничения прав участников компьютерной
сети называется политикой сети.
Управление сетевыми политиками (их может быть несколько в одной сети)
называется администрированием сети.
Лицо, управляющее организацией работы участников локальной компьютерной
сети, называется системным администратором.
Создание локальных сетей характерно для отдельных предприятий или отдельных
подразделений предприятий. Если предприятие (или отрасль) занимает обширную
территорию, то отдельные локальные сети могут объединяться в глобальные сети. В этом
случае локальные сети связывают между собой с помощью любых традиционных каналов
связи (кабельных, спутниковых, радиорелейных и т. п.). Для этой цели могут быть
использованы даже телефонные каналы, хотя они в наименьшей степени удовлетворяют
требованиям цифровой связи.
Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным
протоколам, служат специальные средства, называемые шлюзами. Шлюзы могут быть
как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный
компьютер (шлюзовый сервер), а может быть и компьютерная программа. В последнем
случае компьютер может выполнять не только функцию шлюза, но и какие-то иные
функции, типичные для рабочих станций.
При подключении локальной сети предприятия к глобальной сети важную роль
играет понятие сетевой безопасности. В частности, должен быть ограничен доступ в
локальную сеть для посторонних лиц извне, а также ограничен выход за пределы
локальной сети для сотрудников предприятия, не имеющих соответствующих прав. Для
обеспечения сетевой безопасности между локальной и глобальной сетью устанавливают
так называемые брандмауэры. Брандмауэром может быть специальный компьютер
или компьютерная программа, препятствующая несанкционированному перемещению
данных между сетями.
Рассмотрим подробно уровни модели OSI – модели обмена данными в
компьютерной сети.
Прикладной уровень – 7 уровень (Application Layer) – высший уровень модели.
На прикладном уровне с помощью специальных приложений пользователь создает
документ (сообщение, рисунок и т. п.). Кроме того, на прикладном уровне выполняются
следующие задачи:
передача файлов;


электронная почта;

управление сетью.
5
Примеры протоколов прикладного уровня:
NICE (Network Information and Control Exchange) – обеспечивает наблюдение и
управление сетью;
FTAM (File Transfer Access Management) - обеспечивает удаленную работу с
файлами;
FTP (File Transfer Protocol) – обеспечивает пересылку файлов;
X.400 – передача сообщений и сервис электронной почты;
CMIP (Common Management Information Protocol) - управление сетью в стандарте
ISO;
TelNet – эмуляция терминала и удаленная регистрация (Remote Login).
Уровень представления данных – 6 уровень (Presentation Layer) преобразование кодов, кодовых таблиц, сжатие и распаковка данных основные задачи
этого уровня. На уровне представления операционная система компьютера фиксирует, где
находятся созданные данные (в оперативной памяти, в файле на жестком диске и т. п.), и
обеспечивает взаимодействие со следующим уровнем.
Сеансовый уровень – 5 уровень - (Session Layer) обеспечивает синхронизацию и
корректную передачу пакетов в сетевом диалоге, а также надежность соединения до конца
сеанса. На сеансовом уровне компьютер пользователя взаимодействует с локальной или
глобальной сетью. Протоколы этого уровня проверяют права пользователя на «выход в
эфир» и передают документ к протоколам транспортного уровня.
Примеры протоколов сеансового уровня:
NetBIOS (Network Basic Input/Output System) - различные реализации этого
протокола могут быть несовместимы с оригинальной разработкой IBM.
NetBEUI (Network Basic Extended User Interface) – расширение NetBIOS, создан
фирмой Microsoft.
Транспортный уровень – 4 уровень - (Transport Layer) отвечает за передачу
данных между процессами с заданным уровнем качества (скорость и уровень
достоверности). На транспортном уровне документ преобразуется в ту форму, в которой
положено передавать данные в используемой сети. Например, он может нарезаться на
небольшие пакеты стандартного размера. Собранные в пакеты данные посылаются в ниже
стоящие уровни. Уровень является пограничным и связующим между верхними
уровнями, сильно зависящими от программных приложений и нижними, привязанными к
конкретной сети.
Примеры протоколов транспортного уровня:
TP
...TP4 (Transport Protocol Class
...4) - классы протоколов OSI
ориентированные на различные виды сервиса нижних уровней.
TCP (Transmission Control Protocol) - протокол UNIX сетей с установлением
соединения.
UDP (User Datagram Protocol) - протокол UNIX сетей без установления соединения.
SPX (Sequenced Packet Exchange) – протокол сетей Novell NetWare с установление
соединения.
Сетевой уровень – 3 уровень (Network Layer) или пакетный уровень (Packet
Layer). Сетевой уровень определяет маршрут движения данных в сети. Так, например,
если на транспортном уровне данные были «нарезаны» на пакеты, то на сетевом уровне
каждый пакет должен получить адрес, по которому он должен быть доставлен независимо
от прочих пакетов. Таким образом, на третьем уровне решаются следующие задачи:

определение адресов, трансляции физических и сетевых адресов,
обеспечение межсетевого взаимодействия;
поиск пути от источника к получателю или между двумя промежуточными

устройствами;
6

установление и обслуживание логической связи между узлами для
установления транспортной связи как ориентированной, так и не ориентированной на
соединение.
Примеры протоколов сетевого уровня:
ARP (Address Resolution Protocol) - преобразует аппаратные адреса в сетевые;
IXP (INTERNET work Packet Exchange) - базовый протокол NetWare, отвечающий
за адресацию и маршрутизацию пакетов, обеспечивающий сервис для SPX;
IP (INTERNET Protocol) - протокол доставки дейтаграмм UNIX - сетей.
Канальный уровень – 2 уровень (Data Link Layer) - обеспечивает формирование
фреймов (Frames)- кадров, передаваемых через физический уровень к получателю.
Уровень соединения необходим для того, чтобы промодулировать сигналы,
циркулирующие на физическом уровне, в соответствии с данными, полученными с
сетевого уровня. Например, в компьютере эти функции выполняет сетевая карта или
модем. Введено деление канального уровня на два подуровня (Sub layers);
LLC (Logical Link Control) – управление логической связью, обеспечивает
интерфейс с сетевым уровнем;
MAC (Media Access Control) - управление доступом к среде, осуществляет доступ к
уровню физического кодирования и передачи сигналов;
Физический уровень – 1 уровень (Physical Layer) - нижний уровень,
обеспечивает физическое кодирование бит кадра в электрические (оптические) сигналы и
передачу их по линии связи.
Определяет тип кабелей и разъемов, назначение
контактов и формат физических сигналов. Реальная передача данных происходит на этом
уровне. Здесь нет ни документов, ни пакетов, ни даже байтов — только биты, то есть,
элементарные единицы представления данных. Восстановление документа из них
произойдет постепенно, при переходе с нижнего на верхний уровень на компьютере
клиента.
Средства физического уровня лежат за пределами компьютера. В локальных сетях
это оборудование самой сети. Архитектура сети (Ethernet, ARCnet, Token Ring, FDDI)
охватывает канальный и физический уровень модели. При удаленной связи с
использованием телефонных модемов это линии телефонной связи, коммутационное
оборудование телефонных станций и т. п.
На компьютере получателя информации происходит обратный процесс
преобразования данных от битовых сигналов до документа.
Понятие виртуального соединения. Рассмотрим простой пример взаимодействия
двух корреспондентов с помощью обычной почты. Если они регулярно отправляют друг
другу письма и, соответственно, получают их, то они могут полагать, что меж; ними
существует соединение на пользовательском (прикладном уровне). Однако это не совсем
так. Такое соединение можно назвать виртуальным. Оно было бы физическим, если бы
каждый из корреспондентов лично относил другому письмо и вручал собственные руки. В
реальной жизни он бросает его в почтовый ящик и ждет ответа. Сбором писем из
общественных почтовых ящиков и доставкой корреспонденции личные почтовые ящики
занимаются местные почтовые службы. Это другой уровень модели связи, лежащий ниже.
Для того чтобы наше письмо достигло адресата в другом городе, должна существовать
связь между нашей местной почтовой службой и его местной почтовой службой. Это еще
один пример виртуальной связи, поскольку никакой физической связью эти службы не
обладают — поступившую почтовую корреспонденцию они только сортируют и передают
на уровень федеральной почтовой службы. Федеральная почтовая служба в своей работе
опирается на службы очередного уровня, например, на почтово-багажную службу
железнодорожного ведомства. И, только рассмотрев работу этой службы, мы найдем,
наконец, признаки физического соединения, например железнодорожный путь,
связывающий два города.
7
Это очень простой пример, поскольку в реальности даже доставка обычного
письма может затронуть гораздо большее количество служб. Но нам важно обратить
внимание на то, что в нашем примере образовалось несколько виртуальных соединений
между аналогичными службами, находящимися в пунктах отправки и приема. Не вступая
в прямой контакт, эти службы взаимодействуют между собой. На каком-то уровне письма
укладываются в мешки, мешки пломбируют, к ним прикладывают сопроводительные
документы, которые где-то в другом городе изучаются и проверяются на аналогичном
уровне.
Рассмотрим модель взаимодействия открытых систем на семи разных уровнях
(таблица ???).
Из таблицы видно, что каждый новый уровень все больше и больше увеличивает
функциональность системы связи. Местная почтовая служба работает не только с
письмами, но и с бандеролями и посылками. Почтово-багажная служба занимается еще и
доставкой грузов. Вагоны перевозят не только почту, но и людей. По рельсам ходят не
только почтово-пассажирские поезда, но и грузовые составы и т. д. То есть чем выше
уровень в модели связи, тем больше различных функциональных служб его используют.
Особенности виртуальных соединений. Разные уровни протоколов сервера и
клиента не взаимодействуют друг с другом напрямую, но они взаимодействуют через
физический уровень. Постепенно переходя с верхнего уровня на нижний, данные
непрерывно преобразуются, «обрастают» дополнительными данными, которые
анализируются протоколами соответствующих уровней на сопредельной стороне. Это и
создает эффект виртуального взаимодействия уровней между собой. Однако, несмотря на
виртуальность, это все-таки соединения, через которые тоже проходят данные.
Таблица ??? – Уровни модели связи (понятие виртуального соединения)
Уровень
Аналогия
Прикладной уровень
Письмо написано на бумаге. Определено его содержание
Уровень
Письмо запечатано в конверт. Конверт заполнен. Наклеена
представления
марка. Клиентом соблюдены необходимые требования
протокола доставки
Сеансовый уровень
Письмо опущено в почтовый ящик. Выбрана служба доставки
(письмо можно было бы запечатать в бутылку и бросить в реку,
но избрана другая служба)
Транспортный уровень Письмо доставлено на почтамт. Оно отделено от писем, с
доставкой которых местная почтовая служба справилась бы
самостоятельно
Сетевой уровень
После сортировки письмо уложено в мешок. Появилась новая
единица доставки — мешок
Уровень соединения
Мешки писем уложены в вагон. Появилась новая единица
доставки — вагон
Физический уровень
Вагон прицеплен к локомотиву. Появилась новая единица
доставки — состав. За доставку взялось другое ведомство,
действующее по другим протоколам.
Это очень важный момент с точки зрения компьютерной безопасности.
Одновременно с теми запросами на поставку данных, которые клиент направляет серверу,
передается масса служебной информации, которая может быть как желательной, так и
нежелательной. Например, обязательно передаются данные о текущем адресе клиента, о
дате и времени запроса, о версии его операционной системы, о его правах доступа к
запрашиваемым данным и прочее. Передается и немало косвенной информации, например
о том, по какому адресу он посылал предыдущий запрос. Известны случаи, когда даже
передавались идентификационные коды процессоров компьютеров.
8
На использовании виртуальных соединений основаны такие позитивные свойства
электронных систем связи, как возможность работать по одному физическому каналу
сразу с несколькими серверами. Но на них же основаны и такие негативные средства, как
«троянские программы». Троянская программа — разновидность «компьютерного
вируса», создающая во время сеансов связи виртуальные соединения для передачи данных
о компьютере, на котором установлена. Среди этих данных может быть парольная
информация, информация о содержании жесткого диска и т. п. В отличие от обычных
компьютерных вирусов троянские программы не производят разрушительных действий на
компьютере и потому лучше маскируются.
Сетевые службы. На виртуальных соединениях основаны все службы
современного INTERNETа. Так, например, пересылка сообщения от сервера к клиенту
может проходить через десятки различных компьютеров. Это совсем не означает, что на
каждом компьютере сообщение должно пройти через все уровни — ему достаточно
«подняться» до сетевого уровня, (определяющего адресацию) при приеме и вновь
«опуститься» до физического уровня при передаче. Простейшая модель службы передачи
сообщений показана на рисунке 99.
Компоненты сетей.
Компьютерная сеть состоит из аппаратного обеспечения, программного
обеспечения и среды передачи.
Аппаратное обеспечение - это собственно компьютеры и сетевые адаптеры. Могут
состоять из машин любого класса от рабочих станций IBM PC до мэйнфреймов.
Виртуальные
соединения
Физическое
соединение
Рисунок 99 – Простейшая модель службы передачи сообщений
Узлы (Nodes): компьютеры с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих
станций, серверов или в тех и других.
Программное обеспечение – включает в себя драйверы адаптеров и протоколов, а
также программы, обеспечивающие использование и разделение ресурсов в сети.
Среда передачи может быть проводной (кабель некоторого типа) или
беспроводной (радио или инфракрасные сегменты)
Соединительные элементы в сети могут быть следующими.
Кабель - коаксиальные витые пары, оптические.
Кабельный сегмент сети - цепочка электрически соединенных отрезков кабелей.
Сеть (логическая сеть) - совокупность сегментов, связанных между собой
повторителями. Все узлы сети имеют непосредственную связь друг с другом через среду
передачи.
9
Кабельные центры (Wiring centre) - хабы (Hub), концентраторы, MAU (Multistation
Access Unit).
Кабельный центр Хаб - устройство физического подключения нескольких
сегментов или лучей.
Интеллектуальный Хаб (Intelligent Hub)- имеет специальные средства для
диагностики управления, что позволяет оперативно получать сведения об активности и
исправности узлов, отключать неисправные узлы и т.д. Стоимость таких хабов
существенно выше.
Концентратор - сложный хаб, с возможностью соединения сетей различных
архитектур.
Четкой границы между хабами и концентраторами нет и те, и другие могут быть:
повторителями, мостами и маршрутизаторами.
Повторитель (Repeater) – устройство для соединения сегментов одной сети,
обеспечивающее промежуточное усиление и формирование сигналов.
Мост (Bridge) - средство передачи пакетов между сетями (локальными).
Маршрутизатор (Router) – средство, обеспечивающее связь между узлами
различных сетей, использует сетевые логические адреса.
Шлюз (Gateway) – средство предоставления ресурсов или соединения существенно
разнородных сетей. В отличие от повторителей, мостов и маршрутизаторов, прозрачных
для пользователя, присутствие шлюза заметно. Шлюз выполняет преобразование
форматов, размеров пакетов и т.д. Обычно шлюзы реализуются на основе компьютера с
большим объемом памяти.
Сетевой сервис
Набор услуг, предоставляемых сетью клиентам, варьируется в зависимости от
потребности и реализации сети.
Файл сервер – позволяет клиенту пользоваться файлами, находящимися на
носителях сервера.
Принт-сервер – обеспечивает обслуживание множества клиентов несколькими
принтерами.
Факс-сервер – обеспечивает коллективное использование клиентами сети факсмодема и телефонной линии как разделительного устройства вывода для посылки
факсимильных сообщений.
Удаленный терминал – обеспечивает доступ к вычислительным ресурсам
удаленной машины с многопользовательской ОС.
Сервер приложений является одним из вариантов технологии «клиент-сервер», в
котором основная обработка (и поиск) информации для группы пользователей одного
приложения производится на сервере. Функции клиентской части приложения,
установленного на машинах пользователей, упрощаются до ввода и отображения
информации.
Электронная почта (E-Mail) обеспечивает обмен сообщениями между клиентами,
независимо от степени их удаленности друг от друга. Аналогично обычной почте
электронное письмо имеет адреса отправителя и получателя. Многие системы позволяют
присоединить к письму файлы, которые доставляются вместе с письмом.
Применение звуковых карт или голосовых модемов позволяет осуществлять
рассылку голосовых сообщений.
Непосредственный диалог (Chat) позволяет двум клиентам или группе клиентов
обмениваться репликами в реальном времени. При использовании мультимедийных
средств возможно проведение видеоконференции.
10
INTERNET
История создания
Ранние эксперименты по передаче и приему информации с помощью компьютеров
начались еще в 50-х годах и имели лабораторный характер. Лишь в конце 60-х годов на
средства Агентства Перспективных Разработок министерства обороны США (DARPA Defense Advanced Research Project Agency) была создана первая сеть национального
масштаба. По имени агентства она получила название ARPANET. Эта сеть связала
несколько крупных научных, исследовательских и образовательных центров. Ее основой
задачей стала координация групп коллективов, работающих над едиными научнотехническими проектами, а основным назначением стал обмен электронной почтой и
файлами с научной и проектно-конструкторской документацией.
Сеть ARPANET заработала в 1969 году. Немногочисленные узлы, входившие в нее
в то время, были связаны выделенными линиями. Прием и передача информации
обеспечивались программами, работающими на узловых компьютерах. Эксперимент с
ARPANET был так успешен, что многие организации пожелали войти в нее и в 1975 году
ARPANET превратилась из экспериментальной в рабочую сеть. Ответственность за
администрирование сети взяло на себя Defense Communication Agency (DCA) в настоящее
время называемое DISA, так как слово Communication в своем названии заменила на
Information System.
Сеть постепенно расширялась за счет подключения новых узлов, а к началу 80-х
годов на базе наиболее крупных узлов были созданы свои региональные сети,
воссоздающие общую архитектуру ARPANET на более низком уровне (в региональном
или локальном масштабе).
Всякий раз, когда мы говорим о вычислительной технике, нам надо иметь в виду
принцип единства аппаратного и программного обеспечения. Пока глобальное
расширение ARPANET происходило за счет механического подключения все новых и
новых аппаратных средств (узлов и сетей), до INTERNET в современном понимании этого
слова было еще очень далеко. По-настоящему рождением INTERNET принято считать
1983 год. В этом году произошли революционные изменения в программном обеспечении
компьютерной связи. Днем рождения INTERNET в современном понимании этого слова
стала дата стандартизации протокола связи TCP/IP, лежащего в основе Всемирной
сети по нынешний день.
Здесь требуется уточнить, что в современном понимании TCP/IP — это не один
сетевой протокол, а два протокола, лежащих на разных уровнях (это так называемый стек
протоколов).
Протокол TCP — протокол транспортного уровня. Он управляет тем, как
происходит передача информации.
Протокол IP — адресный. Он принадлежит сетевому уровню и определяет, куда
происходит передача.
Из ARPANET выделилась MILNET, которая относится к Defense Data Network
(DDN) министерства обороны США. В 1991 году ARPANET прекратила свое
существование, а сеть INTERNET объединила множество сетей во всем мире.
Основные понятия, протоколы и службы
В дословном переводе на русский язык INTERNET — это межсеть, то есть в узком
смысле слова INTERNET — это объединение сетей. Однако в последние годы у этого
слова появился и более широкий смысл: Всемирную компьютерную сеть.
INTERNET можно рассматривать в физическом смысле как несколько
миллионов компьютеров, связанных друг с другом всевозможными линиями связи,
11
однако такой «физический» взгляд на INTERNET слишком узок. Лучше рассматривать
INTERNET как некое информационное пространство
INTERNET - это не совокупность прямых соединений между компьютерами. Так,
например, если два компьютера, находящиеся на разных континентах, обмениваются
данными в INTERNET, это совсем не значит, что между ними действует одно прямое или
виртуальное соединение. Данные, которые они посылают друг другу, разбиваются на
пакеты, и даже в одном сеансе связи разные пакеты одного сообщения могут пройти
разными маршрутами. Какими бы маршрутами ни двигались пакеты данных, они все
равно достигнут пункта назначения и будут собраны вместе в цельный документ. При
этом данные, отправленные позже, могут приходить раньше, но это не помешает
правильно собрать документ, поскольку каждый пакет имеет свою маркировку.
Таким образом, INTERNET представляет собой как бы -«пространство»,
внутри которого осуществляется непрерывная циркуляция данных. В этом смысле
его можно сравнить с теле- и радиоэфиром, хотя есть очевидная разница хотя бы в том,
что в эфире никакая информация храниться не может, а в INTERNET она перемещается
между компьютерами, составляющими узлы сети, и какое-то время хранится на их
жестких дисках.
Таким образом, INTERNET представляет собой глобальную компьютерную
сеть, охватывающую весь мир и содержащую гигантский объем информации поп
любой тематике, доступной на коммерческой основе для всех желающих. Помимо
чисто информационных услуг через INTERNET можно совершать покупки и
коммерческие сделки, оплачивать счета, заказывать на различные виды транспорта,
бронировать места в гостинице и др.
INTERNET представляет собой объединение нескольких десятков тысяч
различных локальных сетей, за что она и получила название Сеть сетей.
Протокол TCP. Согласно протоколу TCP, отправляемые данные «нарезаются» на
небольшие пакеты, после чего каждый пакет маркируется таким образом, чтобы в нем
были данные, необходимые для правильной сборки документа на компьютере получателя.
Для понимания сути протокола TCP можно представить игру в шахматы по переписке,
когда двое участников разыгрывают одновременно десяток партий. Каждый ход
записывается на отдельной открытке с указанием номера партии и номера хода. В этом
случае между двумя партнерами через один и тот же почтовый канал работает как бы
десяток соединений (по одному на партию). Два компьютера, связанные между собой
одним физическим соединением, могут точно так же поддерживать одновременно
несколько TCP-соединений. Так, например, два промежуточных сетевых сервера могут
одновременно по одной линии связи передавать друг другу в обе стороны множество
TCP-пакетов от многочисленных клиентов.
Протокол IP. Теперь рассмотрим адресный протокол - IP (INTERNET Protocol).
Его суть состоит в том, что у каждого участника Всемирной сети должен быть свой
уникальный адрес (IP-адрес)- Без этого нельзя говорить о точной доставке TCP-пакетов
на нужное рабочее место. Этот адрес выражается очень просто — четырьмя байтами,
например: 195.38.46.11. IP-адрес - это четыре числа, каждое из которых может
принимать значение от 0 до 255. Например, IP-адрес ftp-сервера фирмы Microsoft
198.105.232.1. Существуют специальные правила, по которым определяют IP-адреса. IPадрес уникален для каждого компьютера.
Программное обеспечение на компьютерах, обеспечивает поиск по IP-адресу.
Структура IP-адреса такова, что каждый компьютер, через который проходит какой-либо
TCP-пакет, может по этим четырем числам определить, кому из ближайших «соседей»
надо переслать пакет, чтобы он оказался «ближе» к получателю. В результате конечного
числа перебросок TCP-пакет достигает адресата. Выше мы не случайно взяли в кавычки
слово «ближе». В данном случае оценивается не географическая близость. В расчет
принимаются условия связи и пропускная способность линии. Два компьютера,
12
находящиеся на разных континентах, но связанные высокопроизводительной линией
космической связи, считаются более «близкими» друг к другу, чем два компьютера
соседних поселков, связанные простым телефонным проводом. Решением вопроса, что
«ближе», а что «дальше», занимаются специальные средства – маршрутизаторы. Роль
маршрутизатора в сети может выполнять как специализированный компьютер, так и
специальная программа, работающая на узловом сервере сети.
Маска сети. Для правильного функционирования протокола IP необходимо
определить, какой диапазон IP-адресов присвоен вашей локально сети. Для этого
используется так называемая маска сети: четыре тройки цифр, имеющих значение от 0
до 255. Конечный пользователь имеет маску 255.255.255.???, где вместо знаков ? стоят
цифры определяющие размер сети. Эти параметры должны быть сообщены провайдером.
Каждая локальная сеть в INTERNET называется узлом или сайтом. Сайт состоит
из нескольких компьютеров серверов, каждый из которых предназначен для хранения
информации определенного типа и в определенном формате. Каждый сайт и сервер на
сайте имеют уникальные имена, посредством которых они идентифицируются в
INTERNET.
Хостом в сети INTERNET называют компьютеры, работающие в многозадачной
операционной системе, поддерживающие протоколы TCP/IP и предоставляющие
пользователям сетевые услуги.
Юридическое лицо, обеспечивающее работу сайтов, называется провайдером.
Провайдеры или сервис - провайдеры – организация, берущая на себя решение
вопросов подключения к сети INTERNET. Для подключения к INTERNET пользователь
должен заключить контракт на обслуживание с одним из провайдеров в его регионе.
Связь с провайдером может быть организована или по коммутируемому телефонному
каналу с помощью модема, или с помощью постоянно действующего выделенного канала.
Доменная организация сети. Каждый компьютер, подключенный к INTERNET,
должен быть уникально описан в глобальной сети. Для этого используется доменная
организация сети DOMAIN NAMING SYSTEM (DNS – доменная система имен). Эта
структура подобна структуре каталогов в компьютере. Есть домены самого верхнего
уровня, есть вложенные в них домены, которые в свою очередь могут содержать другие
домены, и т.д. Число простых доменов в полном доменном имени произвольное. Каждый
простой домен характеризует некоторое множество компьютеров. Домены в имени
вложены друг в друга: любой домен (кроме последнего) представляет собой
подмножество домена, следующего за ним справа налево. Имя каждого домена отделяется
при написании от другого имени точкой, причем имя домена верхнего уровня пишется
справа. Имена доменов самого верхнего уровня строго определены. Существует два типа
таких имен по организации и по стране.
com – коммерческие компании;
edu – образовательные учреждения;
mil – военные учреждения;
gov – правительственные;
int – международные;
org – другие организации;
ru – домен страны, все хосты России;
ca – все хосты Канады.
DNS – имена назначаются провайдером.
Полное доменное имя, например, может иметь такой вид: win.smtp.dol.ru. В
приведенном примере домены имеют следующий смысл:
.ru – домен страны;
.dol – домен провайдера, компьютеры локальной сети российской фирмы Demos;
.smtp – домен группы серверов Demos, обслуживающих систему электронной
почты;
13
.win – имя конкретного компьютера из группы smtp.
Если предоставление услуг осуществляется через несколько организаций, то имя
может состоять из большего числа групп символов, хотя на практике редко больше пяти.
Доменное имя компьютера в сети должно быть уникально.
DNS-сервер. Для того, чтобы по доменному адресу сети определить цифровой IPадрес, и, наоборот, по IP-адресу доменное имя компьютера используют DNS-сервер. DNS
(domain name server) – компьютер, на котором установлена программа, обеспечивающая
такое преобразование.
Шлюз. Для правильной работы в настройках должен быть указа IP-адрес
устройства, который обеспечивает связь с внешней сетью. Это может быть сделано явно
или автоматически - в зависимости от установленного программного обеспечения.
Proxy-сервер. - Практика показывает, что некоторая информация пользуется
особой популярностью: ее запрашивают многие пользователи, иногда даже не по одному
разу за день. Чтобы снизить нагрузку на сети, стали устанавливать так называемые proxyсервера. На этом сервере автоматически сохраняется на некоторый срок вся информация,
проходящая через него. При необходимости по запросу программы просмотра
пользователя информация на proxy-сервере может быть обновлена. Работа с proxyсервером не обязанность, а право. Proxy-сервер может быть указан в настройках
программ, осуществляющих просмотр INTERNET.
«Зеркальный» mirror-сервер. Информация с наиболее интересных серверов
дублируется на серверах в других странах мира. Это позволяет снизить объем
информации, передаваемой между странами, и ускорить работу пользователю с
интересующими его страницами.
Система адресации URL. Система применяется для указания способа организации
информации на конкретном хосте и идентификации размещенного на нем
информационного ресурса. URL (Uniform Resource Locator – унифицированный указатель
ресурса) – адрес состоит из трех частей: указание службы, которая осуществляет доступ к
данному ресурсу; указание доменного имени компьютера (сервера), на котором хранится
данный ресурс; указание полного пути доступа к файлу на данном компьютере. При
записи URL-адреса важно точно соблюдать регистр символов, в INTERNET строчные и
прописные символы считаются разными. Например, рассмотрим адрес http://home.microsoft.com/intl/ru/www_tour.html. Элементы этого адреса означают:
http:// - префикс, указывающий тип протокола, в данном примере обозначающий,
что адрес относится к хосту, который является WWW-сервером. Прикладной протокол
HTTP (Hyper Text Transfer Protocol) – протокол передачи гипертекста. После имени
протокола ставится двоеточие (:) и два знака «/». В качестве префикса (протокола) могут
быть также указаны: ftp://, file://, news://.
home.microsoft.com – доменное имя хоста. После доменного имени через
двоеточие может следовать число, обозначающее порт, через который будет
производиться подключение к хосту, например, http://yandex.ru:8081/ya_detail.html#P7.
/intl/ru/ - подкаталог (папка) ru каталога (папки) intl хоста.
www_tour.html – имя файла (в соответствии с принятыми в ОС UNIX правилами
расширение файла может состоять из любого числа символов).
URL-адрес не должен содержать пробелов, он состоит из латинских букв и
некоторых символов, например, таких как тире (-), подчеркивание (_), тильда (~) и др.
Подкаталог (путь к папке) и название файла в URL-адресе могут отсутствовать, а в конце
URL могут указываться некоторые параметры. Если не указано имя документа, то вы
получите доступ к документу «по умолчанию», который назначен настройками
соответствующего информационного сервера.
Запомнить длинный URL-адрес достаточно сложно, поэтому во всех программных
средствах работы в INTERNET имеется инструмент Избранное, с помощью которого
любому URL можно дать содержательное имя (в том числе на русском языке), называемое
14
ссылкой. Впоследствии для указания адреса вместо URL можно использовать
соответствующую ему ссылку.
Адресация в электронной почте. Для идентификации адресата электронной
почты применяется система E-mail адресов, например, вида paramonova_n@mail.ru. В этом
адресе paramonova_n – личное имя адресата; @ - признак конца имени адресата; mail.ru –
доменное имя провайдера, на одном из компьютеров которого будет храниться «почтовый
ящик» пользователя. E-mail – адрес не должен содержать пробелов.
Адресация в системе новостей. Аналогична доменной адресации, но каждая
группа символов, разделенная точками, образует тему. Например, comp.ai.philosophy –
имя конференции обозначает множество статей, посвященных философским аспектам
(philosophy) искусственного интеллекта (ai – artifical intelligence) компьютеров (comp).
Когда говорят о работе в INTERNET или об использовании INTERNET, то на
самом деле речь идет не об INTERNET в целом, а только об одной или нескольких из его
многочисленных служб. В зависимости от конкретных целей и задач клиенты Сети
используют те службы, которые им необходимы.
Разные службы имеют разные протоколы. Они называются прикладными
протоколами. Их соблюдение обеспечивается и поддерживается работой специальных
программ, таким образом, чтобы воспользоваться какой-то из служб INTERNET,
необходимо установить на компьютере программу, способную работать по протоколу
данной службы.
Возможности сети INTERNET. Сервис INTERNET
Возможности, открывающиеся перед пользователем сети INTERNET, зависят от
условий контракта, заключенного с провайдером. Потенциально INTERNET
предоставляет информационный сервис общего назначения.
WWW (World Wide Web) – Всемирная информационная паутина. Это наиболее
популярная и динамично развивающаяся в настоящее время система. Ее нередко
отождествляют с INTERNET, хотя на самом деле это лишь одна из его многочисленных
служб.
World Wide Web – это единое информационное пространство, состоящее из сотен
миллионов взаимосвязанных электронных документов, хранящихся на Web-серверах.
Отдельные документы, составляющие Web-пространство, называют Web-страницами.
Страницы могут содержать графику, а их чтение сопровождаться анимацией и звуком,
воспроизводимыми непосредственно в процессе поступления информации на экран
пользователя. Посредством WWW можно смотреть видеофильмы, слушать музыку, играть
в компьютерные игры, обращаться к разнообразным информационным источникам. От
обычных текстовых документов Web-страницы отличаются тем, что они не привязаны к
конкретному носителю. Группы тематически объединенных Web-страниц называют Webузлами (жаргонный термин – Web-сайт или просто сайт). Один физический Webсервер может содержать достаточно много Web-узлов, каждому из которых, как правило,
отводится отдельный каталог на жестком диске сервера. Информация в этой системе
организована в форме гипертекста. Это означает, что в документе существуют
специальные элементы – текст или рисунки, называемые гипертекстовыми ссылками
(или просто ссылки); щелчок мышью по этим ссылкам выводит на экран другой
документ. При этом новый документ может храниться на сайте, расположенном в другом
конце земного шара. Совокупность огромного числа гипертекстовых электронных
документов, хранящихся на серверах WWW, образует своеобразное гиперпространство
документов, между которыми возможно перемещение. Произвольное перемещение между
документами в Web-пространстве называют Web-серфингом (выполняется с целью
ознакомительного просмотра). Целенаправленное перемещение между Web-документами
называют Web-навигацией (выполняется с целью поиска нужной информации).
15
Программы для просмотра Web-страниц называют браузерами. Термин не
устоявшийся, в литературе можно встретить броузер или обозреватель. Во всех случаях
речь идет о некотором средстве просмотра Web-документов. Браузер выполняет
отображение документа на экране, руководствуясь командами, которые автор документа
внедрил в его текст. Такие команды называются тегами. Автор Web-документа может
применить автоматические средства подготовки Web-документов – Web-редакторы.
WWW-страницы создаются на специальном языке (в формате) HTML – (Hyper Text
Markup Language). Для создания Web-документов существуют Web-редакторы, например
FrontPage, HomeSite, Dreemweaver и др. Инструменты создания WWW-страниц
непрерывно совершенствуются и включают такие средства как расширение HTML, VRML
– язык моделирования и включения в WWW-страницы трехмерных анимационных
изображений и Java – язык программирования не зависимый от используемой
компьютерной платформы (PC, Macintosh и др.).
Подготовленная WWW-страница, размещается на сервере провайдера в
соответствии с установленными правилами. Эта услуга называется хостинг.
В последние годы в Web-документах находят широкое применение так называемые
активные компоненты. Это тоже объекты, но они содержат не только текстовые,
графические и мультимедийные данные, но и программный код, то есть могут не просто
отображаться на компьютере клиента, но и выполнять на нем работу по заложенной в них
программе. Для того, чтобы активные компоненты не могли выполнить на чужом
компьютере разрушительные операции (что характерно для «компьютерных вирусов»),
они исполняются только под контролем со стороны браузера. Браузер не должен
допустить исполнения команд, несущих потенциальную угрозу.
World Wide Web является наиболее мощным средством поиска. Гипертекст
соединяет различные документы на основе набора слов. Например, когда в тексте
встречается новое слово или понятие, система работающая с гипертекстом, дает
возможность перейти к другому документу, в котором это слово или понятие
рассматривается более подробно. WWW часто используется в качестве интерфейса к
базам данных WAIS.
Служба передачи файлов (FTP). FTP (File Transfer System) - протокол передачи
файлов, который дает возможность абоненту обмениваться файлами с любым
компьютером сети. Установив связь с удаленным компьютером, пользователь может
скопировать файл с удаленного компьютера на свой или скопировать файл со своего
компьютера на удаленный.
Служба FTP имеет свои серверы в мировой сети, на которых хранятся архивы
данных. Со стороны клиента для работы с серверами FTP может быть установлено
специальное программное обеспечение, хотя в большинстве случаев браузеры WWW
обладают встроенными возможностями для работы и по протоколу FTP. Удобно
использовать программы WS_FTP или CuteFTP.
Собственные FTP-серверы имеют все крупные провайдеры, и способ доступа к ним
указывается в контракте. По степени доступности информация на FTP-серверах делится
на три категории:

защищенная информация, доступ к которой разрешен или специальному
кругу зарегистрированных пользователей, или за дополнительную плату;

свободно распространяемые файлы;

файлы со статусом shareware, означающим, что пользователь может
бесплатно опробовать их в течение определенного времени, по истечении которого он
должен зарегистрироваться на сервере и оплатить стоимость файла.
Информация на FTP-серверах организована в виде традиционных каталогов.
Электронная почта (E-MAIL) – обмен сообщениями с любым абонентом сети
INTERNET. Существует возможность отправки как текстовых, так и двоичных файлов.
16
В качестве стандартного метода передачи почты в INTERNET используется
протокол семейства TCP/IP (Simple Mail Transfer Protocol - SMTP) – почтовая система
работает с сообщениями посредством механизма очередей. Прием почты осуществляется
по протоколу POP (post Office Protocol). Протокол POP обеспечивает конечному
пользователю доступ к пришедшим к нему электронным сообщениям. При запросе
пользователя на получение почты POP-клиенты требуют ввести пароль, что повышает
конфиденциальность переписки. Обеспечением почты в INTERNET занимаются
специальные почтовые серверы.
Внимание!!! Под сервером может пониматься не компьютер, а программное
обеспечение, таким образом, один узловой компьютер в INTERNET может выполнять
функции нескольких серверов и обеспечивать работу различных служб, оставаясь при
этом универсальным компьютером, на котором можно выполнять и другие задачи.
Почтовые серверы получают сообщения от клиентов и пересылают их по цепочке к
почтовым серверам адресатов, где эти сообщения накапливаются. При установлении
соединения между адресатом и его почтовым сервером происходит автоматическая
передача поступивших сообщений на компьютер адресата.
Существует большое разнообразие клиентских почтовых программ. К ним
относятся, например, Microsoft Outlook Express, Microsoft Outlook 2000, The Bat! и Eudora
Pro.
Новости (система телеконференций – Use Net Newsgroups- Usenet) – эта служба
содержит совокупность документов (статей), сгруппированных по определенным темам. В
настоящее время имеется более 50 тысяч таких групп по самым различным темам.
Пользователь, указав интересующие его темы (группы), может просматривать
соответствующие документы и создавать свои. Новые документы могут адресоваться или
всем членам группы, или авторам конкретных статей. Служба телеконференций похожа
на циркулярную рассылку электронной почты, в ходе которой одно сообщение
отправляется не одному корреспонденту, а большой группе (такие группы называются
телеконференциями или группами новостей). Так как телеконференции сейчас
используются для размещения различных тематических подборок (например,
экономического характера), участие в некоторых конференциях может потребовать
дополнительной оплаты.
Основной прием использования групп новостей состоит в том, чтобы задать
вопрос, обращаясь ко всему миру, и получить ответ или совет от тех, кто с этим вопросом
уже разобрался. При этом важно следить за тем, чтобы содержание вопроса
соответствовало теме данной телеконференции. Многие квалифицированные специалисты
мира регулярно просматривают сообщения телеконференций, проходящие в группах,
касающихся их сферы деятельности. Такой просмотр называется мониторингом
информации. При отправке сообщений в телеконференции принято указывать свой адрес
электронной почты для обратной связи. В некоторых группах проводит производится
предварительный «отсев» бесполезной информации (в частности, рекламной), не
относящейся к теме конференции. Такие конференции называют модерируемыми. В
качестве модератора может выступать не только человек, но и программа, фильтрующая
сообщения по определенным ключевым словам – автоматическая модерация.
Для работы со службой телеконференций существуют специальные клиентские
программы. Например, Microsoft Outlook Express, почтовый клиент, позволяет работать
также и со службой телеконференций.
Терминальный режим. Telnet - удаленный доступ. Дает возможность абоненту
работать на любом компьютере сети INTERNET как на своем собственном. То есть
запускать программы, менять режим работы и т.д. Подключившись к удаленному
компьютеру по протоколу этой службы, можно управлять его работой. Такое управление
называется консольным или терминальным. Протоколы Telnet применяют для
17
дистанционного управления техническими объектами, например телескопами,
видеокамерами, промышленными роботами.
NFS (Network File System) – распределенная файловая система. Дает возможность
абоненту пользоваться файловой системой удаленного компьютера, как своей
собственной.
Webster - сетевая версия толкового словаря английского языка.
Выполняя лабораторную работу «Поиск информации в сети INTERNET» в
практической части курса студенты подробно знакомятся с материалами о поиске и
получают навыки поиска.
18
Лекция знакомит студентов с основными средствами обеспечения компьютерной
безопасности.
Средства обеспечения компьютерной безопасности
В вычислительной технике понятие безопасности является весьма широким. Оно
подразумевает и надежность работы компьютера, и сохранность ценных данных, и защиту
информации от внесения в нее изменений неуполномоченными лицами, и сохранение
тайны переписки в электронной связи. Во всех цивилизованных странах на страже
безопасности
граждан
стоят законы. В сфере вычислительной
техники
правоприменительная практика пока развита недостаточно, а законотворческий процесс
не успевает за развитием технологий, поэтому надежность работы компьютерных систем
во многом опирается на меры самозащиты.
К средствам обеспечения компьютерной безопасности – этой весьма широкой
категории относятся средства пассивной и активной защиты данных от повреждения, а
также средства защиты данных от несанкционированного доступа, просмотра и
изменения.
Средства пассивной защиты
В качестве средств пассивной защиты используют служебные программы,
предназначенные для резервного копирования. Нередко они обладают и базовыми
свойствами диспетчеров архивов (архиваторов). Создавая план мероприятий по
резервному копированию информации, необходимо учитывать, что резервные копии
должны храниться отдельно от компьютера.
Средства активной защиты (вирусы и антивирусы)
В качестве средств активной защиты применяют антивирусное программное
обеспечение.
Компьютерный вирус - специально написанная небольшая компьютерная
программа,
которая
может
приписывать
себя
другим
программам
и
саморепредуцироваться (размножаться).
Компьютерный вирус – это программный код, встроенный в другую программу,
или в документ, или в определенные области носителя данных и предназначенный для
выполнения несанкционированных действий на несущем компьютере.
Существует множество компьютерных вирусов, которые мешают успешной работе
пользователей на компьютерах.
Основными типами компьютерных вирусов являются:

программные вирусы;

загрузочные вирусы;

макровирусы.
Однако этого деления недостаточно, например, к компьютерным вирусам
примыкают и так называемые троянские кони. Для того, чтобы сориентироваться в море
этих программ, попробуем рассмотреть их классификацию с разных точек зрения. Самым
популярным подходом к классификации компьютерных вирусов является классификация,
предложенная разработчиком самой популярной в России антивирусной программы
«Kaspersky
Anti-Virus»
Касперским.
Лаборатория
Касперского
предлагает
классифицировать вирусы по различным признакам. Такой подход к классификации
показан на рисунке 1.
В первую очередь вирусы классифицируют по среде обитания. По этому признаку
выделяют следующие группы вирусов:

сетевые – вирусы, распространяющиеся через компьютерные сети;
1

файловые – такие вирусы внедряются в выполняемые файлы, которые
имеют расширение exe и com;

загрузочные – эти вирусы внедряются в загрузочный сектор диска или в
сектор, содержащий программу загрузки системного диска;
файлово-загрузочные (многофункциональные) – поражают загрузочные

секторы дисков и файлы прикладных программ;
2
Программы – компьютерные вирусы
По среде обитания
Загрузочные
Файловые
Файлово-загрузочные
Сетевые
Системные
Безвредные
По степени воздействия
Неопасные
Опасные
Разрушительные
По способам заражения
среды обитания
Резидентные
Нерезидентные
Репликаторные
По алгоритмической
особенности построения
«Троянский конь»
Логическая бомба
Мутанты
Невидимки
Макровирусы
Вирусы-спутники
Вирусы-черви
Студенческие
Рисунок 1 – Классификация компьютерных вирусов
системные вирусы – эти вирусы проникают в системные модули и

драйверы периферийных устройств, таблицы размещения файлов и таблицы разделов.
3
Также вирусы классифицируют по способам заражения, выделяя две группы
вирусов:

резидентные – эти вирусы при инфицировании попадают в оперативную
память компьютера и остаются там до его выключения, при этом они заражают все
запускаемые на этом компьютере программы;

нерезидентные – эта группа вирусов не заражает оперативную память и
является действующей только некоторое время.
При классификации по деструктивным возможностям выделяют следующие
группы вирусов:
безвредные – эти вирусы не влияют на работу компьютера, но в то же время

они занимают место в оперативной памяти, что естественно замедляет выполнение
программ;

неопасные – их влияние ограничивается уменьшением свободной памяти на
диске, а также графическими и звуковыми эффектами;

опасные – эти вирусы приводят к серьезным сбоям в работе компьютера;
разрушительные (очень опасные) – работа таких вирусов приводит к

потере программ и уничтожению данных.
Так как вирус – это программа, то естественно провести классификацию по
особенностям алгоритма. При таком подходе к классификации выделяют следующие
группы вирусов:

вирусы - спутники – эти вирусы не изменяют файлы, к которым они себя
приписывают;

вирусы - черви – так обычно строятся вирусы, которые распространяются
по компьютерной сети, они вычисляют адреса сетевых компьютеров и рассылают по этим
адресам свои копии, при этом поддерживая между собой связь, а в случае прекращения
существования «червя» на каком-либо компьютере оставшиеся отыскивают свободный
компьютер и внедряют в него такую же программу;

репликаторные (паразитические) – вирусы, которые распространяют
копии, изменяя содержимое дисковых секторов или файлов;

«Троянский конь» – это программа, которая, маскируясь под полезную
программу, выполняет дополнительные функции, о чем пользователь и не догадывается
(например, собирает информацию об именах и паролях, записывая их в специальный
файл, доступный лишь создателю данного вируса), либо разрушает файловую систему;

логическая бомба – это программа, которая встраивается в большой
программный комплекс. Она безвредна до наступления определенного события, после
которого реализуется ее логический механизм. Например, такая вирусная программа
начинает работать после некоторого числа, или в какую-то конкретную дату (например,
вирус «Чернобыль» срабатывает 26 апреля), при наличии или отсутствии определенного
файла или записи файла и т.д.

программы-мутанты – это программы, которые самовоспроизводясь,
воссоздают копии отличающиеся от оригинала;

студенческие – как правило, это крайне примитивные по алгоритму вирусы
с непредсказуемыми последствиями;

вирусы-призраки (невидимки) – оригинальные программы, позволяющие
обманывать программы-антивирусы, труднообнаруживаемые вирусы, редко бывают
опасными, но иногда дают о себе знать, часто их называют стелс-вирусы;

макровирусы – эти программы используют возможности макроязыков,
встроенные в офисные программы обработки данных (текстовые процессоры,
электронные таблицы и т.д.).
Считается, что никакой вирус не в состоянии вывести из строя аппаратное
обеспечение компьютера. Однако бывают случаи, когда аппаратное и программное
4
обеспечение настолько взаимосвязаны, что программные повреждения приходится
устранять заменой аппаратных средств.
Существует три рубежа защиты от компьютерных вирусов:
предотвращение поступления вирусов;


предотвращение вирусной атаки, если вирус все-таки поступил в
компьютер;

предотвращение разрушительных последствий, если атака все-таки
произошла.
Существуют три метода реализации защиты:

программные методы защиты;

аппаратные методы защиты;

организационные методы защиты.
Для борьбы с вирусами на рынке программных продуктов постоянно появляется
большое количество антивирусных программ. И хотя следует признать, что в настоящее
время в России безусловными лидерами антивирусной борьбы являются программы
лаборатории Касперского, тем ни менее существуют и другие программы антивирусы.
Среди них выделяют следующие группы программ:

программы - детекторы – позволяют только обнаруживать файлы,
зараженные каким-либо вирусом;

программы - вакцины – модифицируют программы и диски так, что вирус
считает эти программные диски уже зараженными, а на работу компьютера это не влияет;

программы - доктора – лечат зараженные программы, выкусывая тело
вируса;

программы - ревизоры – сначала запоминают сведения о состоянии
системных программных областей, а затем сравнивают их с текущим состоянием;

программы - фильтры – перехватывают обращения к операционной
системе, которые обычно используют вирусы, дают пользователю информацию об этом;

программы доктора - ревизоры – обнаруживают вирусы, а затем их лечат;

программы доктора - детекторы – обнаруживают и лечат вирусы, однако
недостатком таких программ является то, что они лечат только известные вирусы.
Основные рекомендации по защите от вирусов и лечению:

регулярно делайте копии важных файлов и системных областей диска;

получайте программное обеспечение законным способом;

при подозрении о том, что у вас вирус надо немедленно выключить
компьютер;

при лечении используйте чистую операционную систему, загружаемую с
дискеты, защищенной от записи или диска CD;

регулярно обновляйте антивирусные программы;

никогда не следует запускать программы, полученные по электронной
почте, особенно вложения. Следует сохранить файл на диске, проверить его антивирусной
программой и только потом запускать. Если имеется подозрение, что в письме вирус, то
его лучше удалить;

не доверять адресам «солидных» отправителей. Поскольку адрес
отправителя можно подделать, пользователь может получить «антинужную» информацию
или вирус;

не сообщать свой пароль и личные данные, если отправитель предлагает
адресату даже нечто очень заманчивое;

открывая файлы MS Office по возможности не использовать макросы;
если сомневаетесь в своих силах, позовите специалиста, не лечитесь сами.

5
Защита данных от несанкционированного доступа
Для защиты данных от несанкционированного доступа, их просмотра и изменения
служат специальные системы, основанные на криптографии.
Кроме того, защите данных от несанкционированного доступа уделяется сейчас
очень большое внимание. Проблема решается также распределением доступа
пользователей различных групп к данным. Система паролей, это также один из способов
защиты данных от несанкционированного доступа.
Помимо использования средств защиты данных от несанкционированного
средствами операционных систем и систем управления базами данных, при
необходимости в каждом конкретном случае разрабатываются индивидуальные
программы защиты.
Как уже упоминалось выше, для защиты данных от несанкционированного доступа
используют шифрование информации. Системам шифрования столько же лет, сколько
письменному обмену информацией. Обычный подход состоит в том, что к документу
применяют некий метод шифрования, который называют ключом, после чего документ
становится недоступен для чтения обычными средствами. Его может прочитать только
тот, кто знает ключ, - только он может применить адекватный метод чтения. Аналогично
происходит шифрование и ответного сообщения. Если в процессе обмена информацией
для шифрования и чтения пользуются одним и тем же ключом, то такой
криптографический процесс является симметричным.
Основной недостаток симметричного процесса заключается в том, что, прежде чем
начать обмен информацией, надо выполнить передачу ключа, а для этого опять нужна
защищенная связь, то есть проблема повторяется. Поэтому в настоящее время используют
несимметричные криптографические системы, основанные на использовании не
одного, а двух ключей. Особенно популярны они в сети Интернет. Происходит это
следующим образом. Компания для работы с клиентами создает не один, а два ключа:
один открытый (public – публичный) ключ, а другой – закрытый (private – личный) ключ.
На самом деле это как бы две «половинки» одного целого ключа, связанные друг с
другом.
Ключи устроены так, что сообщение, зашифрованное одной половинкой можно
расшифровать только другой половинкой (не той, которой было закодировано). Первая
часть ключа, и алгоритм его работы, как правило, публикуются. А вторая часть ключа
конфиденциальна.
Принцип достаточности защиты
Защита публичным ключом, как и большинство других видов защиты не является
абсолютно надежной. Количество комбинаций, которое надо проверить при
реконструкции закрытого ключа, ограничено и значительно меньше, например,
количество возможных шахматных комбинаций. Защиту информации принято считать
достаточной, если затраты на ее преодоление превышает ожидаемую ценность самой
информации. Принцип достаточности защиты состоит в том, что хоть защита и
несовершенна и приемы ее снятия известны, но она все же достаточна для того, чтобы
сделать это мероприятие целесообразным.
Разумеется, не всегда реконструкцию закрытого ключа производят методами
простого перебора комбинаций. Для этого существуют специальные методы, основанные
на исследовании особенностей взаимодействия открытого ключа с определенными
структурами данных. Область науки, посвященная этим исследованиям, называется
криптоанализом, а средняя продолжительность времени, необходимого для
реконструкции закрытого ключа по его опубликованному открытому ключу, называется
криптостойкостью.
6
Принцип несимметричного шифрования используется, например, для создания
электронной подписи. Для создания электронной подписи используют специальную
программу, полученную из банка, и создаются те же два ключа: закрытый и
публичный. Публичный ключ передается банку. При необходимости отправить банку
поручение на операцию с расчетным счетом, оно кодируется публичным ключом банка, а
своя подпись под ним кодируется собственным закрытым ключом. Банк поступает
наоборот. Он читает поручение с помощью своего закрытого ключа, а подпись с помощью
публичного ключа получателя.
Системой несимметричного шифрования обеспечивается делопроизводство в
Интернете. Благодаря этой системе каждый из участников с определенной долей
вероятности может считать, что каждое сообщение отправлено тем, кем оно подписано.
Однако возникает еще ряд проблем, например, проблема регистрации даты отправки.
Сертификация даты выполняется при участии третьей, независимой стороны,
например, сервером организации. Документ, зашифрованный открытым ключом
партнера и снабженный электронной подписью, отправляется сначала на сервер
сертифицирующий организации, где получает «приписку» с точным указанием даты и
времени.
Сертифицировать можно не только даты, но и Web-узлы. При заказе товаров в
Интернете важно убедиться в том, что сервер, принимающей заказы и платежи от имени
некой фирмы, действительно представляет эту фирму. Прежде чем выполнить платежи
через Интернет или отправлять данные о своей кредитной карте кому-либо, следует
проверить наличие действующего сертификата у получателя путем обращения в
сертификационный центр. Это и называется сертификацией Web-узлов.
Схожая проблема и при распространении программного обеспечения через
Интернет. В программное обеспечение получаемое через Интернет могут быть
имплантированы «Трояны», «Компьютерные вирусы», «часовые бомбы» и прочие
нежелательные объекты, в том числе такие, которые невозможно обнаружить
антивирусными средствами. Для того, чтобы избежать этого существует сертификация
издателей, она организована аналогично сертификации Web-узлов.
Защита программных продуктов
Программные продукты – важные объекты защиты по ряду причин. Во-первых,
они являются продуктом интеллектуального труда. Во-вторых, процесс проектирования
этих продуктов связан с потреблением значительных материальных и трудовых ресурсов.
В-третьих, восстановление нарушенного программного обеспечения требует
значительных трудозатрат.
Защита программных продуктов преследует следующие цели:

ограничить
несанкционированный
доступ
отдельных
категорий
пользователей к работе с ними;

исключить преднамеренную порчу программ с целью нарушения
нормального хода обработки данных;

исключить преднамеренную модификацию программы с целью порчи
репутации производителя программной продукции;

исключить несанкционированное тиражирование программ;

исключить несанкционированное изучение содержания, структуры и
механизма работы программы.
Программные продукты должны защищаться от несанкционированных
воздействий различных объектов: человека, технических средств, специализированных
программ, окружающей среды и др.
Самым простым и доступным способом защиты программных продуктов является
ограничение доступа к ним путем:
7

парольной защиты программ при их запуске;

использования ключевой дискеты;
использования специального технического устройства (электронного

ключа), подключаемого к порту ввода-вывода компьютера.
Во избежание несанкционированного копирования программ специальные
программные средства защиты должны:

идентифицировать среду, из которой запускается программа;

вести учет количества выполненных санкционированных инсталляций или
копирования;
противодействовать (вплоть до саморазрушения) изучению алгоритмов и

программ работы системы.
Эффективными защитными мерами для программных продуктов являются:

нестандартное форматирование запускающей дискеты;
закрепление местоположения программы на жестком диске;


привязка к электронному ключу, вставляемому в порт ввода/вывода;

привязка к номеру BIOS;

и др.
Защита программных продуктов должна обязательно осуществляться и правовыми
методами, в числе которых лицензированные соглашения и договоры, патентная защита,
авторские права, технологическая и производственная секретность и др.
8
Назначение и основы использования систем искусственного интеллекта.
Базы знаний, экспертные системы, искусственный интеллект
1 Искусственный интеллект, общие сведения
Искусственный интеллект — один из разделов информатики, в рамках
которого ставятся и решаются задачи аппаратного и программного
моделирования тех видов человеческой деятельности, которые традиционно
считаются интеллектуальными (творческими).
Системы искусственного интеллекта состоят из трех основных блоков:
базы знаний, решателя и интеллектуального интерфейса.
База знаний – это особого рода база данных, разработанная для
оперирования
знаниями
(метаданными).
База
знаний
содержит
структурированную информацию, покрывающую некоторую область знаний,
для использования кибернетическим устройством (или человеком) с
конкретной целью. Современные базы знаний работают совместно с
системами поиска информации, имеют классификационную структуру и
формат представления знаний.
Решатель — система, способная благодаря встроенной в нее общей
стратегии нахождения решения (например, путем логического вывода)
находить решение задач.
Интеллектуальный интерфейс — интерфейс, в который включены
средства, позволяющие человеку вести общение с ЭВМ, не используя для
ввода специальные программы.
Типичным
представителем
систем
искусственного
интеллекта
являются экспертные системы.
В целом системы искусственного интеллекта ориентированы на
решение
большого
и
очень
важного
класса
задач,
называемых
1
неформализуемыми (трудно формализуемыми), к которым относят задачи,
обладающие одной или несколькими из следующих особенностей (свойств):
 алгоритмическое решение задачи неизвестно (хотя, возможно, и
существует) или не может быть использовано из-за ограниченности ресурсов
ЭВМ;
 задача не может быть определена (задана) в числовой форме
(требуется символьное представление);
 цели решения задачи не могут быть выражены в терминах точно
определенной целевой функции;
 большая
размерность
пространства
решения;
динамически
изменяющиеся данные и знания.
Как правило, трудно формализуемые задачи обладают неполнотой,
неоднозначностью и/или противоречивостью исходных данных и знаний о
предметной области.
В исследованиях по искусственному интеллекту можно выделить два
основных направления:
1.
Программно-прагматическое («не имеет значения, как устроено
«мыслящее» устройство, главное, чтобы на заданные входные воздействия
оно реагировало, как человеческий мозг») — занимается созданием
программ, с помощью которых можно решать те задачи, решение которых до
этого считалось исключительно прерогативой человека. Сюда относятся
распознающие и игровые программы, программы для решения логических
задач, поиска, классификации и т. п. Это направление ориентировано на
поиски алгоритмов решения интеллектуальных задач на существующих
моделях компьютеров.
2.
Бионическое («единственный объект, способный мыслить — это
человеческий мозг, поэтому любое «мыслящее» устройство должно каким-то
образом воспроизводить его структуру») — занимается проблемами
искусственного воспроизведения тех структур и процессов, которые
2
характерны для живого человеческого мозга и которые лежат в основе
процесса решения задач человеком. В рамках бионического подхода к
проблеме
искусственного
интеллекта
сформировалась
новая
наука
нейроинформатика, практическим выходом которой явилась разработка
нейрокомпьютера — вычислительной машины VI поколения.
В настоящее время традиционным (классическим) принято считать
программно-прагматическое направление, при котором не ставится вопрос об
адекватности используемых структур и методов тем, которыми пользуется в
аналогичных случаях человек, а рассматривается лишь конечный результат
решения задачи.
2 Знания и подходы к их представлению
Переход от данных к знаниям — логическое следствие развития и
усложнения информационно-логических структур, обрабатываемых на ЭВМ.
Понятие знание не имеет какого-либо исчерпывающего определения.
Существует множество способов определять понятия. Один из широко
применяемых способов основан на идее интенсионала.
Интенсивная понятия — это определение его через понятие более
высокого уровня абстракции с указанием специфических свойств.
Интенсиона́л (от лат. intentio — интенсивность, напряжение, усилие)
— термин семантики, обозначающий содержание понятия, то есть
совокупность мыслимых признаков обозначаемого понятием предмета или
явления.
Например, в интенсионал понятия «Сократ» входят все свойства,
которыми обладает Сократ: человек, мужчина, грек, философ и т.д.
Интенсионал противопоставляется экстенсионалу, то есть множеству
объектов, способных именоваться данной языковой единицей.
Экстенсиона́л
(от лат.
extentio
—
протяжение, пространство,
распространение) — термин семантики, обозначающий объём понятия, то
3
есть множество объектов, способных именоваться данной языковой
единицей.
Например, в экстенсионал понятия «человек» входят все объекты,
обладающие свойством «быть человеком» (Сократ — это человек, философ
— это человек, мыслящее существо — это человек и т.п.).
Этот способ определяет понятие — через перечисление понятий более
низкого уровня иерархии или фактов, относящихся к определяемому
понятию. Это есть определение через данные, или экстенсивная понятия.
Другими словами, интенсивная — это те общие понятия и отношения,
которые
характеризуют
множество
объектов,
предметов,
явлений.
Экстенсивная — конкретные характеристики каждого элемента этого
множества понятий и отношений.
ПРИМЕР
Рассмотрим понятие персональный компьютер. Его интенсионал:
персональный компьютер — это ЭВМ, которую можно поставить на стол и
купить менее чем за $3000. Экстенсионал этого понятия: персональный
компьютер — это IBM PC, Macintosh и т. п.
Знания можно определить как совокупность сведений, образующих
целостное описание, соответствующее некоторому уровню осведомленности
об описываемом вопросе, предмете, проблеме и т. д. Иными словами, знания
— это выявленные закономерности предметной области (принципы, связи,
законы), позволяющие решать задачи в этой области. С точки зрения
искусственного интеллекта знания можно определить как формализованную
информацию, на которую ссылаются в процессе логического вывода.
Для хранения данных используются базы данных (для них характерны
большой объем и относительно небольшая удельная стоимость информации),
для хранения знаний — базы знаний (небольшого объема, но исключительно
дорогие информационные массивы).
4
База знаний — это совокупность знаний, описанных с использованием
выбранной формы их представления. База знаний является основой любой
интеллектуальной системы.
ПРИМЕЧАНИЕ
Базы данных фиксируют экстенсиональную семантику заданной
проблемной области, состояние конкретных объектов, конкретные значения
параметров для определенных моментов времени и временных интервалов.
База знаний определяет интенсиональную семантику моделей и
содержит
описание
абстрактных
сущностей:
объектов,
отношений,
процессов.
Абстрактная сущность — это понятие об обобщенном представителе
некоторого класса объектов, высказывание о свойствах или отношениях
между абстрактными объектами, это процедуры, задаваемые в терминах
формальных параметров.
Знания можно разделить на процедурные и декларативные.
Результатом работы программы всегда является декларативное
знание, а сама программа представляет собой процедурное знание.
Декларативные знания — это совокупность сведений о качественных
и количественных характеристиках конкретных объектов, явлений и их
элементов, представленных в виде фактов и эвристик. Традиционно такие
знания накапливались в виде разнообразных таблиц и справочников, а с
появлением ЭВМ приобрели форму информационных массивов (файлов) и
баз данных. Декларативные знания часто называют просто данными.
Декларативные знания хранятся в памяти ИС так, что они непосредственно
доступны для использования. В виде декларативного знания записывается
информация о свойствах предметной области, фактах, имеющих в ней место,
и тому подобная информация.
Процедурные знания хранятся в памяти ИС в виде описаний
процедур, с помощью которых их можно получить. В виде процедурных
5
знаний
обычно
описывается
информация
о
предметной
области,
характеризующая способы решения задач в этой области, а также различные
инструкции, методики и тому подобная информация. Другими словами,
процедурные знания — это методы, алгоритмы, программы решения
различных
задач,
последовательности
действий
(в
выбранной
проблемной области) — они составляют ядро баз знаний. Например, в
продукционных моделях — это множество продукционных правил вида
«ЕСЛИ— ТО»; в производственной сфере аналог процедурных знаний —
технологические
знания
о
способах
разнообразных
производственных
организации
процессов.
и
осуществления
Процедурные
знания
образуются в результате осуществления процедур (алгоритмов, программ,
аналитических преобразований и т. п.) над фактами как исходными данными.
Дальнейшее развитие структур данных в рамках исследований по
искусственному интеллекту привело к появлению специальных структур
данных: фреймов, семантических сетей, продукций, названных знаниями.
С появлением систем, основанных на знаниях, знаниями считаются
предложения, записанные на языках представления знаний, приближенных к
естественному и понятных неспециалистам. В семантическом плане
обработка информации получает новую окраску, связанную уже с
представлением и обработкой знаний, с получением требуемых знаний, но не
с процессом.
Одной из наиболее важных проблем, характерных для систем
искусственного интеллекта, является представление знаний. Это объясняется
тем, что форма представления знаний оказывает существенное влияние на
характеристики и свойства системы.
Для того чтобы манипулировать всевозможными знаниями из
реального мира с помощью компьютера, необходимо осуществлять их
моделирование.
6
Проблема представления знаний — это проблема представления
взаимосвязей в конкретной предметной области в форме, понятной системе
искусственного интеллекта.
Представление знаний — это их формализация и структурирование (в
целях облегчения решения задачи), с помощью которых отражаются
характерные
признаки
знаний:
структурированность,
внутренняя
связность,
интерпретируемость,
семантическая
метрика
и
активность.
Другими словами, представление знаний — это соглашение о том, как
описывать реальный мир. В рамках этого направления решаются задачи,
связанные
с
формализацией
и
представлением
знаний
в
памяти
интеллектуальной системы с помощью специально разработанных моделей
представления знаний.
В отличие от методов представления данных, базирующихся на
строгих
алгоритмах,
модели
представления
знаний
имеют
дело
с
информацией, получаемой от специалиста в конкретной предметной области
(эксперта), которая часто носит качественный и даже противоречивый
характер. Тем не менее, подобная информация должна быть приведена к
формализованному виду. Это осуществляется использованием различных
методов и приемов, в частности, на основе идей многозначной логики,
теории нечетких множеств и других математических моделей.
При работе со знаниями используются два основных подхода:
1.
Логический (формальный) подход, при котором основное
внимание уделяется изучению и применению теоретических методов
представления
знаний,
формализации,
а
также
логической
полноте
(например, создание моделей представления знаний на основе некоторых
логических исчислений).
2.
Эвристический
(когнитивный,
англ.
cognitive
—
познавательный, лат. cognitio — знание, познание – это современный подход,
7
в рамках которого предполагается, что основную роль в поведении человека
играют знания, или репрезентации объектов внешнего мира) подход,
который ориентируется на обеспечение возможностей решения задач. При
этом опора делается на принцип организации человеческой памяти и
эвристическое моделирование. В отличие от формальных, эвристические
модели имеют разнообразный набор средств, передающих специфические
особенности той или иной области. Именно поэтому эвристические модели
превосходят логические по выразительности и возможности адекватно
представить предметную область.
8
Методология управления персоналом организации
Обобщение опыта отечественных и зарубежных организаций позволяет
сформировать главную цель системы управления персоналом: обеспечение
кадрами, организация их эффективного использования, профессионального и
социального развития.
В соответствии с этой целью формируется система управления
персоналом организации. В качестве базы для ее построения используются
принципы, методы, разработанные наукой и апробированные практикой.
Различают две группы принципов построения системы управления
персоналом в организации: принципы, характеризующие требования к
формированию
системы
управления
персоналом,
и
принципы,
определяющие направления развития системы управления персоналом
(таблица).
Таблица - Принципы построения системы управления персоналом в
организации
Наименование принципа
Содержание принципа
Принципы, характеризующие требования к формированию системы управления
персоналом
Обусловленности
Функции управления персоналом формируются и
функций управления
изменяются не произвольно, а в соответствии с
персоналом целями
потребностями и целями производства.
производства
Состав подсистем системы управления персоналом,
Первичности функций
организационная структура, требования к работникам и их
управления персоналом
численность зависят от содержания, количества и
трудоемкости функций управления персоналом.
Оптимальности
Определяет пропорции между функциями, направленными
соотношения интра- и
на организацию системы управления персоналом
инфрафункций
(интрафункции), и функциями управления персоналом
управления персоналом
(инфрафункции).
Оптимального
Диктует необходимость опережения ориентации функций
соотношения
управления персоналом на развитие производства по
управленческих
сравнению с функциями, направленными на обеспечение
ориентации
функционирования производства.
Временное выбытие отдельных работников не должно
Потенциальных имитаций прерывать процесс осуществления каких-либо функций
управления. Для этого каждый работник системы
1
Экономичности
Прогрессивности
Перспективности
Комплексности
Оперативности
Оптимальности
Простоты
Научности
Иерархичности
Автономности
управления персоналом должен уметь имитировать
функции вышестоящего, нижестоящего сотрудника и
одного-двух работников своего уровня.
Предполагает наиболее эффективную и экономичную
организацию системы управления персоналом, снижение
доли затрат на систему управления в общих затратах на
единицу выпускаемой продукции, повышение
эффективности производства. В случае если после
проведения мероприятий по совершенствованию системы
управления персоналом увеличились затраты на
управление, они должны перекрываться эффектом в
производственной системе, полученным в результате их
осуществления.
Соответствие системы управления персоналом передовым
зарубежным и отечественным аналогам.
При формировании системы управления персоналом
следует учитывать перспективы развития организации.
При формировании системы управления персоналом
необходимо учитывать все факторы, воздействующие на
систему управления (связи с вышестоящими органами,
договорные связи, состояние объекта управления и т.д.).
Своевременное принятие решений по анализу и
совершенствованию системы управления персоналом,
предупреждающих или оперативно устраняющих
отклонения.
Многовариантная проработка предложений по
формированию системы управления персоналом и выбор
наиболее рационального варианта для конкретных условий
производства.
Чем проще система управления персоналом, тем лучше она
работает. Безусловно, при этом исключается упрощение
системы управления персоналом в ущерб производству.
Разработка мероприятий по формированию системы
управления персоналом должна основываться на
достижениях науки в области управления и учитывать
изменения законов развития общественного производства в
рыночных условиях.
В любых вертикальных разрезах системы управления
персоналом должно обеспечиваться иерархическое
взаимодействие между звеньями управления (структурными
подразделениями или отдельными руководителями),
принципиальной характеристикой которого является
несимметричная передача информации "вниз"
(дезагрегирование, детализация) и "вверх" (агрегирование)
по системе управления.
В любых горизонтальных и вертикальных разрезах системы
управления персоналом должна обеспечиваться
2
рациональная автономность структурных подразделений
или отдельных руководителей.
Взаимодействия между иерархическими звеньями по
вертикали, а также между относительно автономными
Согласованности
звеньями системы управления персоналом по горизонтали
должны быть в целом согласованы с основными целями
организации и синхронизированы во времени.
Для обеспечения устойчивого функционирования системы
управления персоналом необходимо предусматривать
специальные "локальные регуляторы", которые при
Устойчивости
отклонении отгаданной цели организации ставят того или
иного работника или подразделение в невыгодное
положение и побуждают их к регулированию системы
управления персоналом.
Управление персоналом как по вертикали, так по
горизонтали может осуществляться по различным каналам:
Многоаспектность
административно-хозяйственному, экономическому,
правовому и т.п.
Система управления персоналом должна обладать
концептуальным единством, содержать единую доступную
терминологию; деятельность всех подразделений и
Прозрачности
руководителей должна строиться на единых "несущих
конструкциях" (этапах, фазах, функциях) для различных по
экономическому содержанию процессов управления
персоналом.
Система управления персоналом должна обеспечивать
максимум удобств для творческих процессов обоснования,
выработки, принятия и реализации решений человеком.
Например, выборочная печать данных, разнообразие
Комфортности
обработки, специальное оформление документов с
выделением существенной информации, их гармоничный
внешний вид, исключение излишней работы при
заполнении документов и т.д.
Принципы, определяющие направления развития системы управления персоналом
Рассматривается в двух направлениях: (1) концентрация
усилий работников отдельного подразделения или всей
системы управления персоналом на решение основных
Концентрации
задач и (2) концентрация однородных функций в одном
подразделении системы управления персоналом, что
устраняет дублирование.
Разделение труда в системе управления персоналом
(выделяется труд руководителей, специалистов и других
Специализации
служащих). Формируются отдельные подразделения,
специализирующиеся на выполнении однородных функций.
Предполагает одновременное выполнение отдельных
Параллельности
управленческих решений, повышает оперативность
управления персоналом.
3
Адаптивности (гибкости)
Преемственности
Непрерывности
Ритмичности
Прямоточности
Все
принципы
Означает приспосабливаемость системы управления
персоналом к изменяющимся целям объекта управления и
условиям его работы.
Предполагает общую методическую основу проведения
работ по совершенствованию системы управления
персоналом
Отсутствие перерывов в работе работников системы
управления персоналом или подразделений.
Выполнение одинакового объема работ в равные
промежутки времени и регулярность повторения функций
Упорядоченность и целенаправленность необходимой
информации по выработке определенного решения. Она
бывает горизонтальной и вертикальной.
построения
системы
управления
персоналом
реализуются во взаимодействии. Их сочетание зависит от конкретных
условий функционирования системы управления персоналом организации.
Наука и практика выработали инструментарий (методы) изучения
состояния действующей системы управления персоналом организации,
построения, обоснования и реализации новой системы.
Раскроем сущность некоторых из методов.
Системный анализ служит методическим средством системного
подхода к решению проблем совершенствования системы управления
персоналом. Системный подход ориентирует исследователя на изучение
системы управления персоналом в целом и составляющих ее компонентов:
целей, функций, организационной структуры, кадров, технических средств
управления,
информации,
методов
управления
людьми,
технологии
управления, управленческих решений; на выявление многообразных типов
связей этих компонентов между собой и внешней средой и сведение их в
единую целостную картину. Внешней средой для управления персоналом
являются не только другие подсистемы системы управления данной
организации (например, подсистема управления внешними хозяйственными
связями и т.п.), но и внешние организации (поставщики и потребители,
вышестоящие организации и т.п.).
4
Для
построения
системы
управления
персоналом
организации
используют следующие методы анализа.
Метод декомпозиции позволяет расчленить сложные явления на более
простые. Чем проще элементы, тем полнее проникновение в глубь явления и
определение его сущности. Например, систему управления персоналом
можно расчленить на подсистемы, подсистемы - на функции, функции - на
процедуры, процедуры - на операции. После расчленения необходимо
воссоздать систему управления персоналом как единое целое, синтезировать
то, что было расчленено. При этом применяется метод декомпозиционного
моделирования, где могут использоваться модели логические, графические и
цифровые.
Метод последовательной подстановки позволяет изучить влияние на
формирование
системы
управления
персоналом
каждого
фактора
в
отдельности, под действием которых сложилось ее состояние, элиминируя
действия других факторов. Факторы ранжируются и среди них отбираются
наиболее существенные.
Метод
сравнений
позволяет
сравнить
существующую
систему
управления персоналом с подобной системой передовой организации, с
нормативным состоянием или состоянием в прошлом периоде. Следует
учитывать, что сравнение дает положительный результат при условии
сопоставимости исследуемых систем, их однородности. Расширить границы
сопоставимости
можно
при
помощи
элиминирования
факторов
несопоставимости.
Динамический
метод
предусматривает расположение данных
в
динамическом ряду и исключение из него случайных отклонений. Тогда ряд
отражает устойчивые тенденции. Этот метод используется при исследовании
количественных
показателей,
характеризующих
систему
управления
персоналом.
5
Метод структуризации целей предусматривает количественное и
качественное обоснование целей организации в целом и целей системы
управления персоналом с точки зрения их соответствия целям организации.
Анализ целей, развертывание их в иерархическую систему целей,
установление ответственности подразделений за конечные результаты
работы, определение их места в системе производства и управления,
устранение дублирования в их работе - все это является важной
предпосылкой построения рациональной системы управления персоналом.
При структуризации целей должны быть обеспечены взаимоувязка,
полнота, сопоставимость целей разных уровней управления персоналом.
Экспертно-аналитический
персоналом
основывается
на
метод
совершенствования
привлечении
управления
высококвалифицированных
специалистов по управлению персоналом, управленческого персонала
предприятия к этому процессу. При использовании метода очень важна
проработка форм систематизации, записи и ясного представления мнений и
заключений экспертов.
С помощью экспертно-аналитического метода выявляются основные
направления совершенствования управления персоналом, оценки результатов
анализа и причины недостатков. Однако он не всегда обладает высокой
точностью и объективностью в связи с тем, что у экспертов отсутствуют
единые критерии оценок. Метод наиболее эффективен при многошаговой
экспертизе.
Исключительный эффект в практике совершенствования управления
персоналом дает нормативный метод. Он предусматривает применение
системы нормативов, которые определяют состав и содержание функций по
управлению персоналом, численность работников по функциям, тип
организационной структуры, критерии построения структуры аппарата
управления организации в целом и системы управления персоналом (норма
управляемости, степень централизации функций, количество ступеней
6
управления, число звеньев, размеры подразделений, порядок подчиненности
и
взаимосвязи
подразделений),
разделение
и
кооперацию
труда
руководителей и специалистов управления персоналом организации. Однако
количества нормативов для совершенствования управления персоналом
организации пока недостаточно.
Все шире применяется параметрический метод. Задача этого метода установление функциональных зависимостей между параметрами элементов
производственной системы и системы управления персоналом для выявления
степени их соответствия.
В последнее время при совершенствовании системы управления
персоналом начали применять метод функционально-стоимостного анализа.
Этот метод позволяет выбрать такой вариант построения системы
управления персоналом или выполнения той или иной функции управления
персоналом, который требует наименьших затрат и является наиболее
эффективным с точки зрения конечных результатов. Он позволяет выявить
лишние или дублирующие функции управления, функции, которые по тем
или иным причинам не выполняются, определить степень централизации и
децентрализации функций управления персоналом и т.п.
Метод главных компонент позволяет отразить в одном показателе
(компоненте) свойства десятков показателей. Это дает возможность
сравнивать
не
множество
показателей
одной
системы
управления
персоналом с множеством показателей другой подобной системы, а только
один (1-ю, 2-ю или 3-ю компоненту).
Балансовый метод позволяет произвести балансовые сопоставления,
увязки. Например, сравниваются результаты обработки фотографий рабочего
дня и технологических карт выполнения управленческих операций и
процедур с действительным фондом рабочего времени их выполнения.
7
Опытный метод базируется на опыте предшествующего периода
данной системы управления персоналом и опыте другой аналогичной
системы.
Наибольшее
развитие
в
деле
совершенствования
управления
персоналом получил метод аналогий. Он заключается в применении
организационных форм, которые оправдали себя в функционирующих
системах
управления
персоналом
со
сходными
экономико-
организационными характеристиками, к рассматриваемой системе.
Сущность метода аналогий заключается в разработке типовых решений
и определении границ и условий их применения.
Эффективным
методом
использования
типовых
решений
совершенствовании управления персоналом является блочный
при
метод
типизации подсистем линейно-функциональных и программно-целевых
структур. Типовые блочные решения увязываются вместе с оригинальными
организационными
решениями
в
единой
организационной
системе
управления персоналом.
Блочный метод ускоряет процесс формирования новой системы
управления персоналом и повышает эффективность функционирования
системы при наименьших затратах.
Метод творческих совещаний предполагает коллективное обсуждение
направлений
развития
системы
управления
персоналом
группой
специалистов и руководителей. Эффективность метода состоит в том, что
идея, высказанная одним человеком, вызывает у других участников
совещания новые идеи, а те, в свою очередь, порождают следующие идеи, в
результате чего возникает поток идей. Цель творческого совещания - выявить
возможно больше вариантов путей совершенствования системы управления
персоналом.
Метод коллективного блокнота ("банка" идей) позволяет сочетать
независимое выдвижение идей каждым экспертом с последующей их
8
коллективной оценкой на совещании по поиску путей совершенствования
системы управления персоналом.
Метод контрольных вопросов заключается в активизации творческого
поиска решения задачи совершенствования системы управления персоналом
с помощью заранее подготовленного списка наводящих вопросов. Форма
вопросов должна быть такой, чтобы в них имелась "подсказка" о том, что и
как следует сделать для решения задачи.
Метод 6-5-3 предназначен для систематизации процесса нахождения
идей по развитию системы управления персоналом. Суть метода заключается
в том, что каждый из шести членов экспертной группы записывает на
отдельном листе бумаги по три идеи и передает их остальным членам
группы, которые, в свою очередь, на основе уже предложенных вариантов
предлагают еще по три идеи, и т.д. По окончании этой процедуры на каждом
из шести листов будет записано по 18 вариантов решений, а всего окажется
108 вариантов.
Морфологический анализ является средством изучения всевозможных
комбинаций вариантов организационных решений, предлагаемых для
осуществления отдельных функций управления персоналом. Если записать
столбиком все функции, а затем против каждой функции построчно указать
всевозможные варианты ее выполнения, то получим морфологическую
матрицу. Идея этого метода заключается в том, чтобы сложную задачу
разбить на мелкие подзадачи, которые легче решать по отдельности. При
этом предполагается, что решение сложной задачи складывается из решений
подзадач.
Наибольший эффект и качество системы управления персоналом
достигаются в том случае, когда применяется система методов в комплексе.
Применение
системы
методов
позволяет
взглянуть
на
объект
совершенствования со всех сторон, что помогает избежать просчетов.
9
Методами управления персоналом называют способы воздействия на
коллективы и отдельных работников с целью осуществления координации их
деятельности в процессе производства. Все методы делятся на три группы:
административные, экономические и социально-психологические.
Административные
методы
ориентированы
на
такие
мотивы
поведения, как осознанная необходимость дисциплины труда, чувство долга,
стремление человека трудиться в определенной организации и т.п. Эти
методы отличает прямой характер воздействия: любой регламентирующий и
административный акт подлежит обязательному исполнению.
Для административных методов характерно их соответствие правовым
нормам, действующим на определенном уровне управления, а также актам и
распоряжениям вышестоящих органов управления.
Экономические и социально-психологические методы носят косвенный
характер
управленческого
воздействия.
Нельзя
рассчитывать
на
автоматическое действие этих методов, достаточно трудно определить силу
их воздействия и конечный эффект.
С помощью экономических методов осуществляется материальное
стимулирование коллективов и отдельных работников. Эти методы основаны
на использовании экономического механизма.
Социально-психологические методы управления в свою очередь
основаны
на
использовании
социального
механизма
(система
взаимоотношений в коллективе, социальные потребности и т.п.). Все виды
методов органично связаны между собой.
10
Система управления персоналом
Система управления персоналом, то есть систематизированное и
сознательное
объединение
людей,
действующих
для
достижения
определенных целей включает в себя субъект управления (СУ) и объект
управления (ОУ). СУ - совокупность элементов системы, осуществляющих
управление как целевое воздействие на объект управления, аппарат
управления,
организующий
труд
исполнителей.
Его
деятельность
заключается в том, чтобы определить, какие действия, в каком порядке, кем и
в какие сроки следует выполнить, как их следует выполнять. СУ
контролирует и оценивает результаты действий исполнителей. ОУ множество исполнителей, обеспечивающих достижение цели. СУ, используя
управляющее воздействие, направляет, корректирует действия ОУ, получая
информацию о результатах труда исполнителей посредством обратной связи.
Управляющее воздействие может возникнуть только в том случае, если
между СУ и ОУ установлены отношения управления, то есть налажены
взаимодействие и отношения подчинения, распределены власть, права и
ответственность, которые позволяют одним вырабатывать управленческие
команды, а другим - эти команды выполнять.
Кадры в одно и то же время могут выступать как объектом, так и
субъектом управления. Работники предприятия выступают объектом потому,
что
они
являются
планирование,
частью
производственного
формирование,
перераспределение
процесса.
и
Поэтому
рациональное
использование людских ресурсов на производстве составляют основное
содержание управления персоналом и с этой точки зрения рассматриваются
аналогично
управлению
материально-вещественными
элементами
производства.
Управление персоналом преследует цели:
•
помощь фирме в достижении общих целей;
1
•
эффективное
использование
мастерства
и
возможностей
работников;
•
обеспечение
фирмы
высококвалифицированными
и
заинтересованными служащими;
•
стремление к наиболее полному удовлетворению работников
своей работой, к их наиболее полному самовыражению, что делает желанной
работу в данной фирме.
Система целей для управления персоналом, с одной стороны, должна
отвечать
на
вопрос,
каковы
конкретные
потребности
работников,
удовлетворение которых они вправе требовать от администрации, а с другой какие цели по использованию персонала ставит перед собой администрация
организации и какие условия она стремится для этого создать. Успех
управления возможен, если эти группы целей непротиворечивы.
Главная цель - прибыль предприятия в системе управления
персоналом - достигается через удовлетворение социальных потребностей
человека на производстве.
Структурное
расположение
кадровой
службы
может
быть
представлено несколькими вариантами, сложившимися в зарубежной
практике.
Вариант
1:
структурная
подчиненность
кадровой
службы
руководителю по администрированию. В данном варианте выполнение задач
службой персонала рассматривается в рамках его роли как штабного
подразделения функциональной подсистемы.
Вариант 2: структурное подчинение службы управления персоналом,
как штабного отдела, общему руководству организации. Второй вариант
подчиненности кадровой службы в системе управления организацией.
Преимуществом второго варианта является близость кадровой службы
ко всем сферам руководства организации. Такая структура наиболее
целесообразна для небольших организаций на начальных этапах их развития,
2
когда руководство еще четко не определило статус кадровой службы.
Вариант 3: структурная подчиненность кадровой службы в качестве
штабного органа непосредственно высшему руководству. Вариант включения
кадровой службы в систему управления организацией. Данный вариант
можно рассматривать как наиболее типичный для достаточно развитых фирм
с выделением сферы управления персоналом в качестве равнозначной
подсистемы управления в ряду других подсистем.
В зависимости от масштаба фирмы, специфики деятельности,
традиций число и название подразделений кадров службы, численность
сотрудников может меняться. В одной организации могут быть созданы
отделы заработной платы, льгот, профессионального развития, в то время как
в другой все эти функции выполняет один отдел.
На крупных предприятиях определены следующие функции кадровых
служб:
1.
Административная
деятельность.
Применение
на
практике
основных законодательных положений в области организации и оплаты
труда,
коллективных
договоров.Применение
на
практике
основных
законодательных положений в области организации и оплаты труда,
коллективных договоров.
2.
Трудоустройство. Прием на работу, ознакомление с рабочим
местом и условиями труда, вопросы перевода на другую работу внутри
предприятия, выдвижение на более высокие должности, увольнение.
3.
Подготовка, переподготовка, повышение квалификации кадров.
Сюда относятся все вопросы, связанные с выявлением потенциальных
возможностей сотрудников фирмы, определения путей их продвижения по
производственной или служебной линии.
4.
Материальное вознаграждение. Аттестация рабочих мест и
должностей, структура заработной платы с учетом социальных льгот,
изучение рынка труда, разработка отдельных статей коллективного договора.
3
5.
Социальные
вопросы.
Контакты
с
профсоюзными
организациями, содействие проведению общественных мероприятий, анализ
и выявление причин социальной напряженности.
6.
Условия труда и техника безопасности.
В
отечественной
системе
управления
основным
структурным
подразделением по работе с персоналом по-прежнему является отдел кадров,
занимающийся вопросами приема и увольнения работников, а также
организацией их обучения, повышения квалификации и переподготовки. В
последнем случае при необходимости создаются отделы подготовки кадров
или отделы технического обучения.
В реальной жизни отделы кадров не являются ни методическим, ни
информационным, ни координирующим центром кадровой работы. Они
структурно разобщены с отделами организации труда и заработной платы,
охраны труда и техники безопасности, с юридическими отделами и другими
подразделениями, которые также выполняют функции управления кадрами.
Для решения социальных проблем в организациях создаются отделы
социального обслуживания.
Система управления (СУ) персоналом включает следующие основные
элементы:
1.
группу специалистов аппарата управления;
2.
комплекс технических средств СУ;
3.
информационную базу для управления персоналом;
4.
комплекс методов и методик организации труда и управления
персоналом;
5.
правовую базу;
6.
совокупность
программ
управления
информационными
процессами решения задач управления персоналом. Общая характеристика
основных элементов системы управления персоналом дана в таблице.
4
Таблица - Общая характеристика основных элементов системы
управления персоналом
Тип
Состав
Назначение
Руководители, специалисты по
Группа специалистов
подбору кадров и организации труда, Реализация функций
аппарата управления и
плановики, экономисты по труду и
управления
обслуживающий
заработной плате, эксперты,
персоналом
персонал
программисты и др.
Средства вычислительной техники,
вычислительные комплексы и сети,
Техническое
Комплекс технических
устройства сбора и передачи
обеспечение
средств
информации, оргтехника, средства функций управления
связи
Классификаторы информации, система
Информационное
организации введения и хранения
Информационная база
обеспечение
информации, порядок внесения
функций управления
изменений, базы данных и знаний
Методы и методики решения кадровых
Организационное и
Методы и методики
вопросов (отбор, продвижение, набор,
методическое
организации труда и
увольнение и т. п.). Методы и
обеспечение
управления персоналом
методики организации труда и
функций управления
заработной платы
Устав, учредительный договор,
приказы, распоряжения, инструкции и
др. документы, регламентирующие
Правовое и
подчиненность, коллективные и
нормативное
Правовая база
индивидуальные договоры, кодекс
обеспечение
законов о труде, решения совета
функций управления
директоров, нормативно-справочные
документы, нормы, стандарты и т.д
Руководящие и методические
Методы и программы
материалы и документы, методики
управления
Методическое и
сборов и обработки материалов,
информационными
программное
методы управления и принятия
процессами и решение
обеспечение
управленческих решений и
задач управления
процесса управления
программные средства, используемые
персоналом
в процессе управления.
Работа службы персонала имеет два направления: стратегическое и
тактическое. В рамках первого она призвана способствовать обеспечению
условий конкурентоспособности и долгосрочного развития организации на
основе регулирования отношений между организацией и работниками в
рамках стратегии бизнеса. В рамках второго осуществляется текущая
кадровая работа: состояние и планирование потребности в кадрах, разработка
5
штатных расписаний; оценка и отбор персонала, планирование ближайших
кадровых
перемещений,
увольнений;
повышение
квалификации
и
переподготовка и др.
В
самом
общем
виде
управление
персоналом
предполагает
обеспечение организации необходимым числом работников, заинтересованно
выполняющих
требуемые
производственные
функции,
вернее,
обеспечивающих необходимое производственное поведение.
Состав функциональных подсистем системы управления персоналом
организации выглядит следующим образом:
•
подсистема условий труда;
•
подсистема трудовых отношений;
•
подсистема оформления и учета кадров;
•
подсистема
планирования,
прогнозирования
и
маркетинга
стимулирования персонала;
•
подсистема развития средств стимулирования персонала;
•
подсистема анализа и развития кадров;
•
подсистема юридических услуг;
•
подсистема развития социальной инфраструктуры;
•
подсистема разработки организационных структур управления.
В зависимости от размеров организаций состав подразделений будет
меняться: в мелких организациях одно подразделение может выполнять
функции нескольких подсистем, а в крупных фирмах функции каждой
подсистемы, как правило, выполняет отдельное подразделение.
6
Персонал как объект управления
Существует
некоторое
отличие
в
сходных
и
подчас
взаимозаменяемых понятиях "кадры" и "персонал". Обычно под кадрами
понимают совокупность работников предприятия, которая характеризуется
профессионально-квалификационной, социально-психологической, половой,
возрастной и другими структурными составляющими. К кадрам относят
только работников, которые обладают профессиональной способностью к
труду, имеют специальную подготовку.
В то время как трудовой потенциал объединяет всех работников,
обладающих способностью к труду, численность трудового потенциала
больше
численности
кадров
на
ту
часть,
которая
составляет
неквалифицированных и малоквалифицированных работников.
Персонал - это, прежде всего, люди со сложным комплексом
индивидуальных качеств, среди которых социально-психологические играют
главную роль, это часть экономического и инновационного пространства
предприятия, в котором радикальные рыночные преобразования должны не
только целенаправленно адсорбироваться (впитываться внутрь жизненной
среды предприятия и адаптироваться в ней), но и приносить ожидаемые от
них
результаты.
Поэтому
передовые
предприятия
руководствуются
философией превосходства человеческих ресурсов над другими видами
ресурсов,
справедливо
деятельности
считая,
хозяйствующих
что
основной
субъектов
потенциал
заключен
в
успешной
персонале,
его
квалификации и преданности интересам предприятия.
Персонал
является
более
широким
понятием,
органически
включающим понятие "кадры", поэтому предметом управления персоналом
выступают персонал и отношения работников в процессе производства с
точки зрения наиболее полного и эффективного развития и использования их
потенциала в функционировании производственных систем, достижения
целей организации.
1
Численность
персонала
определяется
характером,
масштабами,
сложностью, трудоемкостью процессов, степенью автоматизации. Эти
факторы
задают
нормативную
(плановую)
величину.
Списочная
(фактическая) численность представляет собой число сотрудников, которые
официально работают в организации в данный момент. В составе списочной
численности выделяют три категории работников: постоянные, принятые в
организацию бессрочно или на срок более одного года; временные, принятые
на срок до 2 месяцев или для замещения отсутствующего лица - до 4 месяцев;
сезонные, принятые на работу, носящую сезонный характер, на срок до 6
месяцев.
Не включаются в списочную численность и относятся к работникам
несписочного состава внешние совместители; лица, привлеченные для
разовых и специальных работ; работающие на основе договоров; лица,
направленные на учебу с отрывом от производства и получающие стипендию
за счет предприятия, и др.
Списочная
табельных
численность
записях,
в
персонала
которых
ежедневно
отмечаются
все
учитывается
работники,
в
как
присутствующие на работе (явочная численность), так и отсутствующие по
тем или иным причинам, то есть общая сумма явок и неявок на работу.
Списочная численность персонала может рассматриваться не только
как моментная, но и как средняя величина за период (месяц, квартал, год).
Распределение персонала отражается, прежде всего, по участию в
основных видах деятельности организации. Так, выделяется персонал
основных видов деятельности (иначе, производственный). К нему относят
лиц, работающих в основных и вспомогательных подразделениях, в аппарате
управления, занятых созданием продукции, услуг или обслуживающих эти
процессы. В отдельную самостоятельную группу выделяют персонал
неосновных видов деятельности (иначе, непроизводственный). К ним относят
работников жилищно-коммунального хозяйства, подразделений социальной
сферы (базы отдыха, центры обучения, детские дошкольные учреждения,
2
здравпункты и другие сопутствующие учреждения, состоящие на балансе
предприятия).
В деятельности рабочих преобладает доля физического труда, они
непосредственно создают материальные ценности или оказывают услуги
производственного
характера.
Принято
различать
основных
и
вспомогательных рабочих. Основные рабочие заняты в технологических
процессах, изменяющих форму, структуру, свойства предмета труда, в
результате
чего
создаются
материальные
продукты
или
услуги.
Вспомогательные рабочие связаны с обслуживанием оборудования и рабочих
мест, сосредоточены во вспомогательных подразделениях (ремонтных,
инструментальных, транспортных, складских). К рабочим относится и
младший обслуживающий персонал, занятый в основном оказанием
несвязанных с основной деятельностью услуг, - дворники, курьеры,
уборщики непроизводственных помещений.
Служащие
осуществляют
организацию
деятельности
людей,
управление производством, административно-хозяйственные, финансовобухгалтерские, юридические, исследовательские и другие функции.
Служащих относят к профессиональной группе лиц, занятых
преимущественно
умственным,
объединяются
несколько
в
интеллектуальным
подгрупп:
руководители,
трудом.
Они
специалисты,
технические исполнители.
Руководители осуществляют функции общего управления. Они
обладают юридическим правом принятия решений, имеют в подчинении
других работников. Руководителей условно разделяют на три уровня:
высший (руководство организацией в целом), средний (возглавляют
основные структурные подразделения), низовой (работают непосредственно
с исполнителями). К руководителям относят также их заместителей и
главных специалистов. В совокупности они образуют администрацию. Кроме
того, принято выделять линейных руководителей, отвечающих за принятие
3
решений по всем функциям управления, и функциональных руководителей,
реализующих отдельные функции управления.
Специалисты разного профиля являются наиболее многочисленной
подгруппой служащих. Они подразделяются на специалистов-инженеров,
результатом
деятельности
которых
является
конструкторско-
технологическая или проектная информация в области техники и технологии
производства (технологи, конструкторы, проектировщики, механики и др.);
на функциональных специалистов управления, результатом деятельности
которых является управленческая информация (бухгалтеры, экономисты,
референты, финансисты, маркетологи и др.).
Наконец, подгруппу технических исполнителей составляют служащие
(машинистки, операторы, курьеры, архивариусы и др.), выполняющие
вспомогательные
работы
в
управленческом
процессе:
создание,
тиражирование, передачу, преобразование, хранение информации.
Основанием для отнесения людей к той или иной группе (категории)
является занимаемая должность, то есть штатная единица организации
(первичный элемент в структуре управления), которая определяется в
соответствии
с
единым
тарифно-квалификационным
справочником
профессий рабочих и должностей служащих.
Персонал организации можно структурировать следующим образом.
Организационная структура - это состав и соподчиненность
взаимосвязанных звеньев в управлении, которые включают аппарат
управления и производственные подразделения.
Функциональная структура отражает разделение управленческих
функций между руководством и отдельными подразделениями. Функция
управления представляет собой часть процесса управления, выделенную по
определенному признаку (качество, труд и зарплата, учет и т. д.). Обычно
выделяют от 10 до 25 функций.
Ролевая
творческом
структура
процессе
на
характеризует
коллектив
производстве,
по
по
участию
в
коммуникационным
и
4
поведенческим
ролям.
Творческие
роли
свойственны
энтузиастам,
изобретателям и организаторам, характеризуют активную позицию в
решении
проблемных
ситуаций, в поиске
альтернативных решений
(генераторы идей, эрудиты, критики). Коммуникационные роли определяют
содержание и степень участия в информационном процессе, взаимодействие
в обмене информацией. Выделяют лидеров, связных, координаторов.
Поведенческие роли характеризуют типовые психологические модели
поведения людей на производстве, в быту, на отдыхе, в конфликтных
ситуациях (оптимист, нигилист, конформист, кляузник и др.).
Социальная
структура
характеризует
трудовой
коллектив
предприятия как совокупность групп по полу, возрасту, национальному и
социальному составам, уровню образования, семейному положению.
Штатная структура определяет количественно-профессиональный
состав персонала, состав подразделений и перечень должностей, размеры
оплаты труда и фонд заработной платы работников.
Персонал находится в постоянном движении вследствие приема на
работу одних и увольнения других работников. Процесс обновления
коллектива называется сменяемостью (оборотом) кадров. Выбытие может
быть обусловлено объективными и субъективными причинами, среди
которых различают биологические (ухудшение здоровья), производственные
(сокращение штатов), социальные (наступление пенсионного возраста),
личные (семейные обстоятельства), государственные (призыв на военную
службу).
Однако
укомплектованность
в
целом
повышенный
рабочих
мест
оборот
исполнителями,
кадров
снижает
отвлекает
от
обязанностей высококвалифицированных специалистов для помощи новым
сотрудникам, нарушает морально-психологический климат в коллективе,
вызывает экономические потери. Поэтому в статистике используются
многочисленные абсолютные и относительные показатели оборота по
приему и выбытию кадров.
5
Наибольший практический интерес представляет текучесть кадров,
которая связана с субъективными причинами: увольнением сотрудника по
собственному желанию, а также по инициативе администрации. Считается,
что нормальная текучесть кадров составляет до 5% в год. Движение кадров
отражается в балансе, который содержит данные о численности работников
на начало и конец периода, числе поступивших и выбывших за период
(квартал, год) по специальностям, профессиям, категориям, источникам
прибытия и причинам ухода.
Движение
персонала
характеризуется
абсолютными
и
относительными показателями оборота и текучести.
Абсолютные показатели:
•
оборот по приему - число лиц, зачисленных на работу после
окончания учебных заведений по оргнабору, в порядке перевода из других
организаций, по распределению, по направлению органов трудоустройства,
по приглашению самой организации;
•
оборот по выбытию - численность лиц, уволившихся из
организации за данный период, сгруппированных по причинам выбытия;
•
необходимый оборот по выбытию - уход в армию или на пенсию;
•
излишний оборот (текучесть) - уход по субъективным причинам:
по собственному желанию, увольнение за нарушение трудовой дисциплины.
Относительный оборот персонала:
•
интенсивность оборота по приему равно отношению числа
принятых за период на среднесписочную численность персонала за период;
•
интенсивность оборота к выбытию находится как отношение
выбывших за период по всем причинам сотрудников к среднесписочной
численности персонала за период;
•
коэффициент постоянства персонала есть отношение числа
работников,
состоящих
в
списках
организации
за
весь
период
к
среднесписочной численности персонала за этот период.
6
Место и роль управления персоналом в системе управления
организацией
До последнего времени само понятие "управление персоналом" в
нашей управленческой практике отсутствовало, хотя в системе управления
каждой организации существовала подсистема управления кадрами и
социальным развитием коллектива (отдел кадров). Но основную часть работ
по управлению кадрами выполняли линейные руководители подразделений.
Управляющие
персоналом
-
это
самостоятельная
группа
профессиональных специалистов-менеджеров, главные цели которых повышение производственной, творческой отдачи и активности персонала,
разработка и реализация программы развития кадров.
Основной задачей управления человеческими ресурсами является
наиболее
эффективное
использование
способностей
сотрудников
в
соответствии с целями предприятия и общества. При этом должно быть
обеспечено сохранение здоровья каждого человека и установлены отношения
конструктивного сотрудничества между членами коллектива и различными
социальными группами.
Управление
человеческими
ресурсами
предприятия
включает
комплекс взаимосвязанных видов деятельности: определение потребности в
рабочих, инженерах, менеджерах различной квалификации, исходя из
стратегии деятельности фирмы; анализ рынка труда и управление
занятостью;
отбор
и
адаптация
персонала;
планирование
карьеры
сотрудников фирмы, их профессионального и административного роста;
обеспечение рациональных условий труда, в том числе благоприятной для
каждого человека социально-психологической атмосферы; организацию
производственных
процессов,
анализ
затрат
и
результатов
труда,
установление оптимальных соотношений между количеством единиц
оборудования и численностью персонала различных групп; управление
производительностью труда; разработку систем мотивации эффективной
1
деятельности; обоснование структуры доходов, степени их дифференциации,
проектирование систем оплаты труда; организацию изобретательской и
рационализаторской
деятельности;
участие
в
проведении
тарифных
переговоров между представителями работодателей и работополучателей;
разработку
и
осуществление
социальной
политики
предприятия;
профилактику и ликвидация конфликтов. Объем работ по каждой из этих
функций зависит от размеров предприятия, характеристик производимой
продукции, ситуации на рынке труда, квалификации персонала, степени
автоматизации производства, социально-психологической обстановки на
предприятии и за его пределами.
Многогранность управления персоналом предполагает множество
направлений в этой важной проблеме. Различают следующие аспекты
управления персоналом:
•
учитывать
технико-технологический аспект предполагает необходимость
уровень
развития
конкретного
производства,
особенности
используемых в нем техники и технологий, производственных условий;
•
организационно-экономический
аспект
позволяет
раскрыть
вопросы, связанные с планированием численности и состава работающих,
моральным и материальным стимулированием, использованием рабочего
времени и т. п.;
•
правовой аспект проблемы включает вопросы соблюдения
трудового законодательства в работе с персоналом;
•
социально-психологический
социально-психологического
подход
обеспечения
рассматривает
управления
вопросы
персоналом;
внедрения различных социологических и психологических процедур в
практику работы;
•
педагогический аспект затрагивает проблемы, связанные с
воспитанием и обучением персонала.
Укрупнено можно выделить три фактора, оказывающего воздействие
на людей в организации.
2
Первый - иерархическая структура организации, где основное
средство воздействия - это отношения власти - подчинения, давление на
человека сверху, с помощью принуждения, контроля над распределением
материальных благ.
Второй - культура, то есть вырабатываемые обществом, организацией,
группой людей совместные ценности, социальные нормы, установки
поведения,
которые
регламентируют
действия
личности,
заставляют
индивида вести себя так, а не иначе без видимого принуждения.
Третий - рынок, то есть сеть равноправных отношений, основанных на
купле-продаже продукции и услуг, отношениях собственности, равновесии
интересов продавца и покупателя.
Эти факторы воздействия - понятия достаточно сложные и на
практике редко реализуются в отдельности. Какому из них отдается
приоритет, таков и облик экономической ситуации в организации.
Новые службы управления персоналом создаются, как правило, на
базе традиционных служб: отдела кадров, отдела организации труда и
заработной платы, отдела охраны труда и техники безопасности и др. Задачи
новых служб заключаются в реализации кадровой политики и координации
деятельности по управлению трудовыми ресурсами в организации. В связи с
этим они начинают расширять круг своих функций и от чисто кадровых
вопросов
переходят
деятельности,
к
разработке
управлению
систем
стимулирования
профессиональным
трудовой
продвижением,
предотвращению конфликтов, изучению рынка трудовых ресурсов.
Традиционно
соответствующие
принято
основным
выделять
функциям
четыре
подсистемы,
управления
человеческими
ресурсами: подбор персонала, обучение и развитие персонала, оценка
персонала и вознаграждение персонала.
Каждая организация в работе с персоналом решает одни и те же
основные задачи, вне зависимости от специфики деятельности. Во-первых,
каждая организация привлекает необходимые для достижения ее целей
3
человеческие ресурсы, то есть сотрудников. Во-вторых, все без исключения
организации проводят обучение своих сотрудников, чтобы объяснить
стоящие перед ними задачи и привести их навыки и умения в соответствие с
этими задачами. В-третьих, организации осуществляют оценку участия
каждого из сотрудников в достижении стоящих перед организацией целей. Вчетвертых, каждая из организаций в той или иной форме вознаграждает
своих сотрудников, то есть каким-то образом компенсирует затраты времени,
энергии, интеллекта, которые они несут, работая над достижением
организационных целей.
Перечисленные задачи актуальны для любой организации, хотя их
острота и формы решения могут различаться. Для их успешного решения
каждая организация должна разработать и внедрить особые методы,
процедуры, программы, которые в своем единстве будут представлять
систему управления человеческими ресурсами, деятельность по управлению
персоналом.
Именно организация эффективной деятельности персонала и является
основной заботой управления персоналом организации и соответственно
менеджера по персоналу. Для достижения этой цели необходимо хорошо
представлять себе такие особенности персонала организации:
•
особенности индивидуального поведения;
•
особенности группового поведения;
•
особенности поведения руководителей, членов управленческой
команды.
Особенности индивидуального поведения детерминируются многими
параметрами, а именно:
•
индивидуальные способности, склонности и одаренность -
предрасположенность к реализации какой-либо деятельности, ориентация на
ее выполнение;
•
специфика мотивации - специфика потребностей человека,
представление о целях профессиональной деятельности;
4
•
индивидуальные
ценности
-
общие
убеждения,
вера,
мировоззрения, представления о мире;
•
демографические - половые и возрастные особенности;
•
национальные и культурные особенности - усвоенные в опыте
способы, правила и нормы поведения, которые детерминируют конкретные
реакции человека в конкретных ситуациях.
Особенности группового поведения связаны со многими параметрами,
среди которых основные:
•
особенности корпоративной культуры - ценности, правила
поведения, характерные для конкретного трудового коллектива;
•
феномены групповой динамики - этап развития коллектива,
особенности лидерства, способа поведения в ситуации конфликта.
Особенности
комплексных
поведения
проблем,
руководителей
поскольку
самих
являются
одной
руководителей
из
можно
рассматривать как:
•
субъектов, имеющих индивидуальные особенности;
•
членов
некоторой
группы,
обладающих
корпоративной
управленческой
технологии,
культурой;
•
функционеров
определенной
обладающей своими правилами поведения.
5
1
Лекция 18
Понятие информационной технологии; свойства информационных технологий;
понятие платформы информационных технологий. Эволюция информационных
технологий; их роль в развитии экономики и общества; технологизация социального
пространства.
Экономическая информация
В системах организационного управления выделяют экономическую
информацию, связанную с управлением людьми.
В общем случае под термином «экономическая информация»
понимается информация, отражающая и обслуживающая процессы
производства, распределения, обмена и потребления материальных благ.
Более строго термин «экономическая информация» обозначает
воплощение с помощью знаков и сигналов знаний о материальных,
трудовых и стоимостных аспектах воспроизводимых в экономике
процессов, устраняющих неопределенность в отношении исходов этих
процессов.
Экономическая информация - совокупность сведений, отражающих
социально-экономические процессы и служащих для управления этими
процессами
и
коллективами
людей
в
производственной
и
непроизводственной сфере.
В информационных процессах, осуществляемых в управлении
экономикой, информация играет роль предмета труда (исходная
информация, «сырье») и продукта труда (результатная, «обработанная»
информация, «информационный продукт»).
Говоря о понятии «экономическая информация» с кибернетических
позиций, информационный процесс управления можно охарактеризовать как
превращение сведений (исходных данных) в экономическую информацию,
необходимую для принятия решений, направленных на обеспечение
заданного состояния народного хозяйства и его оптимального развития.
Экономическая информация неотделима от информационного
процесса
управления,
осуществляемого
в
производственной
и
непроизводственной сферах, она используется во всех отраслях народного
хозяйства и во всех органах общегосударственного управления.
Экономическая информация имеет разновидности (типы), которые
выделяются на основе соответствующих классификационных критериев.
Выделим некоторые классификации экономической информации:
•
по принадлежности к сфере материального производства и
непроизводственной сфере, подтипы — по отраслям и подотраслям
народного хозяйства в соответствии с принятой их группировкой;
•
по стадиям воспроизводства и элементам производственного
процесса. В силу этого выделяются разновидности экономической
информации, отражающие снабжение, производство, распределение и
потребление, а также материальные, трудовые и финансовые ресурсы;
2
•
по временным стадиям управления. С этих позиций выделяются
прогнозная информация, плановая, учетная, информация для анализа
хозяйственной деятельности, оперативного управления, составления
отчетности;
•
по критериям соответствия отражаемым явлениям экономическая
информация делится на достоверную и недостоверную;
•
по полноте отражения событий экономическая информация
подразделяется на достаточную (полную), недостаточную и избыточную. Для
решения задач экономического управления необходима вполне конкретная по
содержательности минимальная информация, т.е. достаточная. Избыточная
информация содержит излишние данные, которые либо вообще не
используются для решения задач, либо выполняют контрольно-дублирующие
функции;
•
по стадии возникновения выделяется исходная (первичная) и
производная (вторичная) информация.
Исходная информация возникает в результате действия источников
информации (министерства, ведомства, предприятия и других организаций и
подразделений), и по этим источникам исходная информация делится на
планово-директивную и учетно-отчетную.
Планово-директивная информация перемещается («спускается»)
вниз по уровням иерархии управления, при этом она разукрупняется,
детализируется, «расширяется».
Учетно-отчетная информация, наоборот, перемещается вверх по
уровням иерархии управления, причем по мере своего продвижения эта
информация укрупняется, агрегируется, «сжимается».
Производная информация возникает в результате обработки
исходной и другой вторичной — либо только исходной, либо только
вторичной. Среди производной информации различают промежуточную и
итоговую;
•
по стабильности во времени экономическая информация делится
на постоянную (условно-постоянную) и переменную.
Необходимо отметить, что период стабильности носит конкретный
характер для определенных задач управления. Как правило, он составляет
один год, а для оценки уровня стабильности информации используется Кст,
рассчитываемый по формуле
ИСобщ − ИСизм
ИСобщ
где ИСобщ — общее число информационных совокупностей;
ИСизм — число информационных совокупностей, изменивших свои
значения за рассматриваемый период (год).
Кст =
Если Кст > = 0,85, то информационную совокупность принято считать
3
условно-постоянной, и в условиях автоматизированной обработки
информации ее следует организовывать и хранить в виде самостоятельных
массивов нормативно-справочной информации (НСИ) или файлов баз
данных;
•
по технологии решения экономических задач в системах
управления различают входную, промежуточную и выходную информацию.
Таким образом, экономическая информация отражает процессы
производства, распределения, обмена и потребления материальных благ
и услуг.
Оценивание и свойства экономической информации
Принципиальное
значение
при
выборе
информационных
технологий для создания систем обработки экономической информации и
имеют следующие ее свойства:
•
преобладание алфавитно-цифровых знаков;
•
необходимость оформления результатов обработки данных в
форме, удобной для восприятия человеком;
•
широкое распространение документов как носителей исходных
данных и результатов их обработки;
•
значительный объем переменных и постоянных (условнопостоянных) данных;
•
дискретность,
объясняющаяся
тем,
что
экономическая
информация характеризует состояние объекта или процесса либо на
определенный момент времени, либо за определенный интервал времени;
•
организованность, вытекающая из того, что экономическая
информация отражает результат интеллектуальной деятельности человека;
•
неоднородность — в силу основного назначения информации:
различать элементы и свойства отражаемых процессов;
•
рассредоточенность
источников
и
принципиальная
невозможность концентрации и централизации процессов сбора данных;
•
сохраняемость (неиссякаемость) при ее использовании
(потреблении);
•
возможность многократного использования одних и тех же
данных, в том числе и одновременно разными потребителями;
•
возможность сохранения переработанной информации у
отправителя;
•
возможность длительного хранения с воспроизведением и
обновлением;
•
способность к преобразованию, агрегированию по определенным
признакам, детализации (разукрупнению) и сжатию (укрупнению);
•
определенная самостоятельность данных по отношению к твоему
носителю.
Для обеспечения функций управления теми или иными объектами
4
экономическая
информация
должна
отвечать
определенным
требованиям, в том числе:
•
быть достоверной, правдивой;
•
быть своевременной, так как запоздалое поступление нужной
информации часто оказывается бесполезным;
•
быть
документальной,
юридически
подтвержденной
в
документах соответствующими подписями (визами) соответствующих
должностных лиц;
•
быть актуальной, нужной для подразделения и лиц,
принимающих решения.
Важной характеристикой экономической информации является ее
структура.
Структура информации играет ту же роль, что и синтаксис любого
языка. При этом различают два взаимосвязанных между собой аспекта:
•
состав элементов, образующих структуру информации;
•
взаимосвязь между элементами этой структуры.
К числу основных структурных элементов экономической
информации относятся реквизиты, экономические показатели,
экономические
документы,
в
т.ч.
электронные
документы,
информационные массивы.
Простой, элементарной составляющей единицей экономической
информации является реквизит.
Каждый реквизит характеризуется именем (наименованием), типом и
значением.
В зависимости от характера отображаемого ими свойства
реквизиты делятся на реквизиты признаки и реквизиты-основания.
Реквизиты-признаки
отражают
качественные
свойства
экономического объекта, процесса или явления. Реквизиты-признаки
служат для логической обработки составных единиц, т.е. для поиска,
сортировки, группировки, выборки и т.д. (Например, пол, название товара и
т.д.)
Реквизиты-основания характеризуют количественную сторону
процесса или объекта. Они чаще всего выражаются в цифровой форме. Над
ними могут выполняться логические и арифметические операции.
Реквизиты при необходимости можно расчленить на более мелкие
составляющие — на символы и биты, но при этом теряется смысловое
содержание реквизитов.
Совокупность реквизитов-признаков и реквизитов-оснований
представляет собой сообщение об объекте. Каждое сообщение имеет
определенную форму.
Отдельно
взятый
реквизит
не
может
полностью
характеризовать экономический процесс или объект, он входит в состав
различных экономических показателей.
Основной структурной единицей является экономический
5
показатель.
Показатель состоит из определенной совокупности реквизитов,
характеризующих какой-либо конкретный объект, факт, процесс с
количественной и качественной стороны.
Под показателем понимается качественно определенная
переменная величина, которой может быть поставлено в соответствие
множество возможных количественных значений, а также алгоритмы их
вычисления по различным исходным данным.
Приведенное здесь первое определение показателя используется в
практике учета, статистики, планирования и т.п.
Показатель определяется как высказывание, содержащее
количественную характеристику какого-либо свойства отображаемого
объекта. Такое высказывание содержит единственное количественное
значение и определенный набор качественных признаков, необходимых
для его однозначной идентификации.
Указанная вторая трактовка показателя принята в теории и
практике автоматизированной обработки данных.
Таким образом, экономический показатель как составная единица
экономической информации включает один реквизит-основание и группу
взаимосвязанных с ним и между собой по смыслу реквизитов-признаков.
Показатель имеет название (наименование), раскрывающее его
основной экономический смысл. Обычно в состав наименования
показателя входят термины, обозначающие измеряемый объект, т.е. что
происходит с объектом (определяются наличие, мощность, выпуск, затраты,
себестоимость, потери, прибыль и т.п.), формальная характеристика, т.е. как
он считается (сумма, объем, прирост, процент, разность, средняя и т.п.).
Кроме того, показатель содержит дополнительные признаки, которые
не выражают его основной экономический смысл, но уточняют конкретное
количественное значение показателя.
Дополнительными признаками в составе показателей могут быть,
например, время, к которому относится данный показатель (момент или
период), единица измерения (кг, т, шт., руб. и т.п.), вид данных по функциям
управления (плановый, фактический, нормативный и т.п.), а также термины,
указывающие на то, кто производит действие над измеряемым объектом, где
он находится, перемещается. Дополнительные признаки позволяют
конкретизировать экономико-математическую модель расчета показателя,
характеризуя его особенность для каждого конкретного случая.
Как минимальная смысловая единица экономической информации,
характеризующая какой-либо объект, экономические показатели делятся на
первичные и вторичные (производные, расчетные).
Первичные показатели отражают результаты производственнохозяйственной деятельности объекта управления, определяемые путем
измерения, подсчета, взвешивания и т.п., например, количество готовой
продукции, количество отработанного времени, количество бракованных
изделий и т.п.
6
Первичные
показатели
служат
исходными
данными
для
формирования различного рода вторичных показателей, например, стоимость
готовой продукции, заработная плата, потери от брака и т.п.
В целях организации обработки информации и реализации функций
управления показатели могут образовывать более сложные составные
структурные единицы информации: документы, массивы, информационные
потоки, информационную базу.
Экономический документ представляет собой определенным
образом организованную совокупность взаимосвязанных по смыслу
экономических показателей. Экономический документ является основной и
наиболее удобной формой представления информации с точки зрения
управления, так как наряду с наглядностью представления информации,
необходимой для решения задачи или являющейся результатом решения
задачи, он содержит атрибуты, придающие ему юридический статус.
Наиболее распространенной формой представления экономических
документов является табличная форма, которая в самом общем виде обычно
включает общую, предметную и оформительскую части. Следует
отметить, что в последнее время особое внимание уделяется
электронным способам отображения содержимого документов, что
позволяет значительно повысить эффективность систем управления
благодаря использованию качественно новых подходов к реализации
информационных процессов.
Электронные документы могут быть представлены либо как
электронные
копии,
являющиеся
сканированными
отображением
информации реальных бумажных документов, либо как электронные формы,
являющиеся компьютерной основой для решения задач управления, а в
случае необходимости — основой для получения соответствующих
бумажных аналогов — «твердых копий».
В последнее время понятие электронного документа связывается с
требованиями электронного документооборота.
Электронный документ — сведения, представленные в форме,
воспринимаемой электронными средствами обработки, хранения и передачи
информации, которые имеют необходимые атрибуты для их однозначной
идентификации и которые могут быть преобразованы в форму, пригодную
для восприятия человеком.
Одним из наиболее важных и неотъемлемых атрибутов
электронного документа является электронная подпись, удостоверяющая
подлинности сведений, отображенных на материальных носителях
информации или передаваемых средствами связи, и устанавливающая ее
принадлежности к конкретному лицу.
Электронная подпись — (электронная цифровая подпись)
представляет собой определенную последовательность символов, имеющую
неизменяемое соотношение с каждым символом определенного объема
сведений электронного документа и предназначенную для подтверждения
целостности и неизменности этого объема сведений, а также
7
тождественности его содержания волеизъявлению заверившего его лица.
В целях упрощения организации процессов обработки, передачи и
хранения информации, содержащейся в документах, экономическая
информация может представляться в виде информационных массивов
(файлов на машинных носителях).
Информационный массив с позиции логической структуры
представляет собой набор данных или документов одной формы (одного
названия) со всеми их значениями либо сочетание таких наборов данных,
относящихся к одной задаче.
Во втором случае массив называется укрупненным. В системах
обработки информации массив является основной структурной единицей,
предназначенной для хранения, передачи и обработки информации.
Массивы могут объединяться в более крупные структурные
единицы. Самой крупной является информационная база, а самой
простой формой объединения — информационный поток.
Информационный поток - это совокупность информационных
массивов, в том числе документов, относительно конкретной управленческой
деятельности, имеющая динамический характер.
Информационная база - вся совокупность информации реального
экономического объекта.
При организации автоматизированной обработки экономической
информации понятие структуры данных связывается с представлением
их на различных носителях, и таким образом соответствующие
структурные единицы выделяются в зависимости от особенностей того
или иного носителя и способов фиксации данных на нем.
При размещении информации на TD0 бланках
Постоянные массивы, как правило, содержат нормативносправочную информацию (НСИ) длительного хранения и многократного
использования.
Переменные массивы содержат исходную и промежуточную
информацию, отражающую текущее состояние объекта управления.
Основные массивы предназначаются для хранения информации в
процессе обработки данных и решения задач управления.
Вспомогательные массивы являются производными от основных
массивов путем логической обработки последних в целях обеспечения более
рационального процесса решения задачи.
Промежуточные массивы носят служебный характер и отличаются
от других тем, что содержат результаты предыдущих расчетов, полученных
при решении задач и используемых в качестве исходных данных при
решении последующих задач.
Входные и выходные массивы определяют характер их отношения к
рассматриваемым информационным процессам обработки данных, что имеет
принципиально важное значение при оценке объемно-временных
характеристик различных вариантов информационных технологий.
Текущие (рабочие) массивы содержат информацию о состоянии
8
управляемого объекта или процесса на данный момент времени. Они могут
формироваться на основе нескольких входных массивов.
Служебные массивы (различного рода справочники, каталоги,
нормативные документы и т.д.) хранят информацию, непосредственно не
связанную с объектом управления, но необходимую для реализации
процессов решения задач управления.
Данные, включаемые в информационные массивы, представляются
как неоднородные и однородные.
Однородные массивы содержат одноименные записи одинаковой
структуры, неоднородные — разнотипные записи с различной структурой.
Совокупности массивов составляют структурные единицы более
высоких рангов: системные наборы, библиотеки массивов
Программное обеспечение прикладного уровня. Электронные
таблицы
Изучив материал, студент должен знать:

назначение, структуру и основные функции электронных таблиц, способы
ввода данных и их последующего редактирования.
Изучив материал, студент должен уметь:

организовывать структуру файла MS Excel.
Электронные таблицы предоставляют комплексные средства для
хранения различных типов данных и их обработки. В некоторой степени они
аналогичны системам управления базами данных, но основной акцент
смещен не на хранение массивов данных и обеспечение к ним доступа, а на
преобразование
данных,
причем
в
соответствии
с
их
внутренним
содержанием.
В отличие от баз данных, которые обычно содержат широкий спектр
типов данных (от числовых и текстовых до мультимедийных), для
электронных таблиц характерна повышенная сосредоточенность на числовых
данных. Зато электронные таблицы предоставляют более широкий спектр
методов для работы с данными числового типа.
Основное свойство электронных таблиц состоит в том, что при
изменении
содержания
любых
ячеек
таблицы
может
происходить
автоматическое изменение содержания во всех прочих ячейках, связанных с
измененными соотношением, заданным математическими или логическими
выражениями (формулами).
Простота и удобство работы с электронными таблицами снискали им
широкое
применение
в
сфере
бухгалтерского
учета,
в
качестве
универсальных инструментов анализа финансовых, сырьевых и товарных
рынков, доступных средств обработки результатов технических испытаний,
то есть всюду, где необходимо автоматизировать регулярно повторяющиеся
вычисления достаточно больших объемов числовых данных.
1
Работа с электронной таблицей Microsoft Excel подробно изучается
студентами в практической части дисциплины «Информатика» и подробно
описана в методических указаниях к лабораторным работам.
Однако, остановимся на главном в работе с электронными таблицами.
Во-первых, поговорим о пользовательском интерфейсе электронных
таблиц, начиная с 2007 года.
Интерфейс Excel 2007 построен по аналогии с интерфейсом Word
2007 и кардинально отличается от предыдущих классических версий 19972003. Знакомство с принципом работы инструментов Word 2007позволяет
легко освоить интерфейс Excel 2007. Разберем развернутое окно программы
Excel.
Стартовое окно программы содержит три пустых листа рабочей
книги. Вид стартового окна программы Excel показан на рисунке 1.
Рисунок 1 – Стартовое окно программы Excel
Вверху находятся семь лент с инструментами: Главная, Вставка,
Разметка страницы, Формулы, Данные, Рецензирование, Вид. Некоторые из
них аналогичны таким же вкладкам в Word 2007.
2
Каждая лента состоит из панелей, на которых, собственно, и
расположены инструменты для работы с электронными таблицами. Как
правило, на панель вынесены наиболее часто используемые инструменты.
Для вызова полного набора инструментов той или иной панели надо открыть
окно данной панели, нажав на стрелочку в правом нижнем углу.
В левом верхнем углу окна программы находится главная кнопка
программы. Вид контрольного меню, которое появляется на экране при
нажатии на кнопку в верхнем правом углу развернутого окна задачи, показан
на рисунке 2.
Рисунок 2 – Контрольное меню программы Excel
По умолчанию программа сохраняет файл с расширением xlsx,
который не смогут прочитать предыдущие версии Excel. Для того, чтобы
документ был совместим с ранними версиями электронных таблиц,
необходимо сохраняя файл выбрать соответствующую опцию.
3
Познакомившись с интерфейсом программы, рассмотрим подробнее
форматы ячеек.
Существует два типа данных, которые можно вводить в ячейки листа
Excel – константы и формулы.
Константы в свою очередь подразделяются на: числовые значения,
текстовые значения, значения даты и времени, логические значения и
ошибочные значения.
Вводить формулу надо со знака равенства. Это надо для того, чтобы
Excel понял, что в ячейку вводится именно формула, а не данные.
При вводе формул используют относительные, абсолютные и
смешанные ссылки на ячейки. Так как адрес ячейки определяется номером
столбца, который определен латинской буквой и номером строки, которая
определяется десятичным число.
В случае использования в формуле относительной ссылки в ее
обозначение только номер столбца и номер строки, например А7.
Относительная ссылка указывает на ячейку, относительно ее положения от
ячейки, содержащей формулу.
Абсолютная ссылка указывает на ячейку, местоположение которой
неизменно. Обозначение абсолютной ячейки - $A$7.
Смешанная
ссылка
содержит
комбинацию
относительной
и
абсолютной ссылок - $A1, A$1.
Для быстрого изменения типа ссылки используется клавиша F4.
Формулы в Excel могут использовать Функции.
Функция Excel - это заранее определенная формула, которая работает
с одним или несколькими значениями и возвращает результат.
Наиболее распространенные функции Excel являются краткой
записью часто используемых формул.
А некоторые функции выполняют очень сложные вычисления.
Каждая функция состоит из имени и аргумента.
Работая с формулами необходимо знать следующее:
4
−
Если формула содержит заголовок столбца/строки, в котором она
находится, то Excel считает, что вы хотите использовать диапазон ячеек,
расположенных ниже заголовка столбца таблицы (или справа от заголовка
строки);
−
Если формула содержит заголовок столбца/строки, отличного от
того, в котором она находится, Excel считает, что вы хотите использовать
ячейку на пересечении столбца/строки с таким заголовком и строки/столбца,
где расположена формула.
−
При использовании заголовков можно указать любую ячейку
таблицы с помощью пересечения диапазонов.
−
Формулы, содержащие заголовки, можно копировать и вставлять,
при этом Excel автоматически настраивает их на нужные столбцы и строки.
Если будет произведена попытка скопировать формулу в неподходящее
место, то Excel сообщит об этом, а в ячейке выведет значение ИМЯ?. При
смене названий заголовков, аналогичные изменения происходят и в
формулах.
Ячейкам Excel и диапазонам ячеек можно присваивать имена и затем
использовать их в формулах. Если формулы, содержащие заголовки, можно
применять только в том же листе, где находится таблица, то, используя
имена диапазонов, можно ссылаться на ячейки таблицы в любом месте
любой книги.
В формулах можно использовать ячейки и диапазоны ячеек, которым
присвоены имена. Для присвоения имени ячейке (диапазону ячеек) надо
выделить соответствующий элемент, а затем в поле имени ввести
наименование, при этом нельзя использовать пробелы.
Если выделенной ячейке или диапазону было дано имя, то в поле
имени выводится именно оно, а не ссылка на ячейку. Если имя определено
для диапазона ячеек, оно появится в поле имени только при выделении всего
диапазона.
5
Если нужно перейти к именованной ячейке или диапазону, щелкните
на стрелке рядом с полем имени и выберите в раскрывающемся списке имя
ячейки или диапазона.
При вводе формул, которые работают с массивами необходимо
соблюдать следующие правила.
1.
Перед вводом формулы массива надо выделить ячейку или
диапазон ячеек, который будет содержать результаты. Если формула
возвращает несколько значений, необходимо выделить диапазон такого же
размера и формы, как диапазон с исходными данными.
2.
Нажмите клавиши Ctrl+Shift+Enter для фиксации ввода формулы
массива. При этом Excel заключит формулу в фигурные скобки в строке
формул. НЕ ВВОДИТЕ ФИГУРНЫЕ СКОБКИ ВРУЧНУЮ!
3.
В
диапазоне
нельзя
изменять,
очищать
или
перемещать
отдельные ячейки, а также вставлять или удалять ячейки. Все ячейки в
диапазоне массива надо рассматривать как единое целое и редактировать все
их сразу.
4.
Для изменения или очистки массива надо выделить весь массив и
активизировать строку формул. После изменения формулы надо нажать
комбинацию клавиш Ctrl+Shift+Enter.
5.
Чтобы
переместить
содержимое
диапазона
массива, надо
выделить весь массив и в меню "Правка" выбрать команду "Вырезать". Затем
выделите новый диапазон и в меню "Правка" выберите команду "Вставить".
6.
Вырезать, очищать или
редактировать часть массива
не
разрешается, но можно назначать разные форматы отдельным ячейкам в
массиве.
При вводе данных и формул очень удобно заполнять ряды с помощью
мыши.
Заполнение рядов с помощью мыши
Можно использовать маркер заполнения для быстрого заполнения
ячеек и создания рядов.
6
После выделения одной ячейки надо установить указатель на маркере
заполнения и затем перетащить его в любом направлении. Содержимое этой
ячейки копируется в выделенный диапазон. При выделении диапазона ячеек
либо копируется диапазон в направлении перетаскивания указателя, либо
расширяется ряд в этом направлении. Это зависит от содержимого ячеек,
формы выделения и от того, нажата или нет клавиша Ctrl. Если выделенная
ячейка или диапазон не содержат формул, рядом с указателем мыши
появится небольшая экранная подсказка, показывающая значения, вводимые
в ячейки по ходу движения указателя.
Если выделить диапазон А1:А2 и перетащить маркер заполнения вниз,
то будет создан ряд с шагом, равным интервалу между двумя выделенными
значениями. Если же выделить ячейки С1:С2 и держать нажатой клавишу
Ctrl при перетаскивании маркера заполнения вниз, выделенные ячейки будут
скопированы с повторением исходного диапазона.
Если при создании ряда вы перетаскиваете маркер заполнения вниз
или вправо, то значения возрастают. Однако, при перетаскивании маркера
вверх и влево создается ряд с убывающими значениями.
Если выделено текстовое значение, то при перетаскивании маркера
заполнения текст копируется в новые ячейки. Но если выделение содержит и
текст и число, срабатывает автозаполнение Excel, которое изменяет числовой
компонент и просто копирует текстовый компонент. Таким способом можно
расширить ряд дат, а также создать такой ряд, как, например "Квартал 1",
"Квартал 2"…
Использование правой кнопки мыши при перетаскивании маркера
заполнения. Если использовать правую кнопку мыши для заполнения
диапазона или расширения ряда, то при отпускании кнопки появляется
контекстное меню. Это показано на рисунке 3.
Команды из этого контекстного меню можно использовать для
изменения способа заполнения диапазонов или рядов.
7
Команда "Копировать ячейки" - просто копирует выделенные
исходные ячейки в конечный диапазон, повторяя при необходимости
значения ячеек из исходного диапазона.
Рисунок 3 – Контекстное меню при автозаполнении
При выборе команды "Заполнить", последовательность выделенных
чисел расширится, как если бы мы перетаскивали маркер заполнения при
нажатой левой кнопке мыши.
Если выбрать команду "Заполнить форматы", копируются только
форматы исходных ячеек, содержимое ячеек не изменяется.
Если выбрать команду "Заполнить значения", копируется содержимое
исходных ячеек, но форматы исходных и конечных ячеек остаются
прежними.
Если исходные ячейки содержат даты, то в этом контекстном меню
становятся доступными команды "Заполнить по дням", "Заполнить по
рабочим
дням",
"Заполнить
по
месяцам",
"Заполнить
по
годам",
8
позволяющие заполнять ряд, в котором изменяется только соответствующий
компонент даты.
Команда "Линейное приближение" создает простой линейный ряд,
аналогичный тому, который создается при перетаскивании маркера
заполнения с использованием левой кнопки мыши.
Команда
"Экспоненциальное
приближение"
создает
простой
экспоненциальный ряд, используя выделенные ячейки для экстраполяции
точек вдоль экспоненциальной кривой.
На рисунке 4 в столбце А создан линейный ряд, а в столбце С –
экспоненциальный.
Рисунок 4 – пример автозаполнения ячеек
Подробнее работа в электронных таблицах Excel будет рассмотрена
при выполнении лабораторных работ.
9
Программное обеспечение прикладного уровня. Графические
редакторы. Программы для создания презентаций
Изучив материал, студент должен знать:

основные способы представления и обработки графической информации
(растровый и векторный).
Изучив материал, студент должен уметь:

использовать графические редакторы для обработки растровой и векторной
графики.
В
современном
информационном
обществе
огромное
значение
предается графическим формам представления информации (рисунки, карты,
схемы, чертежи).
Работа с изображением на компьютере основана на его представлении
математической моделью. В настоящее время существуют различные
подходы к их созданию. В настоящий момент времени наибольшее
распространение получили: растровые, векторные и модели трехмерной
графики. Однако, следует заметить, что и другие модели активно
развиваются, например, фрактальная или полигональная. Рассмотрим
основные модели для создания графических изображений с использование
компьютера, а также программное обеспечение, для работы с ними.
Растровая графика
В растровой графике любое графическое изображение состоит из
мельчайших цветных точек (пикселей), образующих характерный узор,
называемый растром. Растр – это прямоугольное изображение из цветных
точек с фиксированными размерами по ширине и высоте. Линейные
координаты и индивидуальные свойства каждой точки яркость и цветность
можно выразить с помощью целых чисел. Изображение хранится как
последовательность целых чисел, представляющих цвета отдельных точек в
порядке развертывания прямоугольника слева направо и сверху вниз.
1
Растровая модель – является базовой моделью для воспроизведения
изображений. Они могут храниться в любой модели, но воспроизводятся как
растровые, т.к. и экран монитора и принтер являются растровыми
устройствами, формирующими изображение из точек.
Для оцифровки цветов в современных компьютерах используют две
основные модели. Модель RGB. За основные три цвета приняты красный
(Red), зеленый (Green), синий (Blue). Каждый составляющий цвет при этом
характеризуется своей яркостью, поэтому модель называется аддитивной.
Эта схема применяется для создания графических образов в устройствах,
излучающих свет, - мониторах, телевизорах.
Модель CMYK. Изображение формируется на основе отраженной
волны от окрашенных поверхностей. Цвет поверхности можно получить
красителями, которые поглощают, а не излучают. Например, если мы
видим зеленое дерево, то это означает, что из падающего белого цвета, т.е.
суммы красного, зеленого, синего, поглощены красный и синий, а зеленый
отражен.
Цвета красителей должны быть дополняющими:
 голубой (Cyan = B+ G), дополняющий красного;
 пурпурный (Magenta = R+B), дополняющий зеленого;
 желтый (Yellow = R+G), дополняющий синего.
Но так как цветные красители по отражающим свойствам не
одинаковы, то для повышения контрастности применяется еще черный
(black).
Модель CMYK названа по первым буквам слов Cyan, Magenta, Yellow
и последней букве слова black. Так как цвета вычитаются, модель называется
субстрактивной.
Растровою модель используют тогда, когда точность воспроизведения
цветовых оттенков важнее точности передачи формы. Однако разбиение
изображения на точки (пиксели) приводит к искажению геометрических фор,
2
что заметно при увеличении изображения. Этот дефект называется
пиксализацией.
Векторная графика
Элементарным объектом векторного изображения является не точка, а
линия. Графические объекты создаются как совокупности линий.
В
векторных
редакторах
каждая
линия
рассматривается
как
математическая кривая третьего порядка и, соответственно, представляется
математической формулой (в компьютере хранятся числовые коэффициенты
этой формулы). Они описывают форму изображения. Из элементарных
объектов
(линий)
создаются
простейшие
геометрические
объекты
(примитивы) из которых, в свою очередь, составляются законченные
композиции.
Местоположение
изображения
описывается
числовыми
координатами характерных точек. Параметры контура выражают толщину и
цвет линии, а логическое свойство, имеющее двоичное значение ДА или
НЕТ, замкнутость контура. Кроме того хранятся параметры внутренней
заливки контура, если он замкнут – цвет, узор, текстура. Изображение
представляется коллекцией независимых графических объектов.
В векторной модели изображения хранятся как таблицы свойств
объектов, при этом очень экономно расходуется память компьютера, но для
воспроизведения и преобразования требуются весьма сложные и длительные
процедуры.
Растровые
модели
подвержены
пиксализации
–
искажению
изображения при изменении его размеров. В тех случаях, когда форма
объекта важнее его цвета, используют векторные модели. Для создания схем,
чертежей, географических карт используют векторные модели. Так как
компьютер хранит не само изображение, а коэффициенты алгебраического
уравнения, качество изображения не зависит от его масштаба.
3
Трехмерная графическая модель
В трехмерной графике элементом изображения является плоский
треугольник. Объемные тела сначала представляются коллекциями граней,
после чего грани представляются коллекциями треугольников, где каждый
треугольник – это коллекция трех векторов, образующих его стороны, а
каждый вектор описывается тремя числовыми значениями, выражающими
его координаты относительно точки, принятой за начало отсчета. Чем
больше треугольников содержит модель, тем лучше трехмерная модель
отражает реальность, но тем больше операций требуется для ее обработки.
Перед воспроизведением происходит пересчет пространственной
модели в плоское растровое экранное изображение. Этот процесс называется
визуализацией.
В
процессе
визуализации
рассчитывается
порядок
расположения элементов по оси, направленной к наблюдателю, какой
стороной элементарные треугольники обращены к наблюдателю (лицевой
или
обратной),
как
поверхности
элементарных
треугольников
взаимодействуют с лучами света, исходящими от источников освещения.
Трехмерное изображение просматривают, изменяя угол зрения, такой
подход используют в виртуальном моделировании. В кинематографии
используют
трехмерные
модели
записывая
динамическое
изменение
изображения в видеоряд.
Фрактальная графика.
Основой изображения во фрактальной графике является фрактал.
Фракталами
называются
геометрические
объекты:
линии,
поверхности, пространственные тела, имеющие сильно изрезанную форму и
обладающие свойством самоподобия.
Слово фрактал произошло от латинского слова Fractus и переводится
как дробный, ломаный. Самоподобие, как основная характеристика
фрактала означает, что он более или менее единообразно устроен в
4
широком диапазоне масштабов. То есть при увеличении маленькие
фрагменты фрактала получаются очень похожими на большие фрагменты.
Фрактальными свойствами обладают многие природные объекты:
снежинка при увеличении оказывается фракталом; по фрактальным
алгоритмам растут кристаллы и растения. Если посмотреть на береговую
линию моря на картах все более крупного масштаба, то становятся видны все
новые изгибы и изломы, похожие на более крупные. Пример построения
простейшего фрактала — «фрактальный треугольник» (его еще называют
«снежинка Коха») показан на рисунке 48.
Рисунок 48 – «снежинка Коха»
Графические редакторы
Это обширный класс программ, предназначенных для создания и (или)
обработки
графических
изображений.
В
данном
классе
различают
следующие категории: растровые редакторы, векторные редакторы и
программные средства для создания и обработки трехмерной графики (3Dредакторы).
Растровые редакторы применяют в тех случаях, когда графический
объект представлен в виде комбинации точек, образующих растр и
обладающих свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен в тех
случаях, когда графическое изображение имеет много полутонов и
информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем
5
информация об их форме. Это характерно для фотографических и
полиграфических изображений. Растровые редакторы широко применяются
для обработки изображений, их ретуши, создания фотоэффектов и
художественных композиций (коллажей). Возможности создания новых
изображений средствами растровых редакторов ограничены и не всегда
удобны. В большинстве случаев художники предпочитают пользоваться
традиционными инструментами, после чего вводить рисунок в компьютер с
помощью специальных аппаратных средств (сканеров) и завершать работу с
помощью растрового редактора путем применения спецэффектов.
Признанный лидер среди растровых редакторов, имеющий богатейшие
возможности для создания коллажей благодаря технологии слоев и каналов
Adobe Photoshop 5.0. В процессе обучения студенты знакомятся с работой
растрового редактора Paint. Подробное описание работы этого графического
редактора дано в методических указаниях к лабораторным работам по
дисциплине «Информатика». В настоящее время большое распространение
получили растровые редакторы Corel Photo-Paint 8.0 и Paint Shop Pro 4.1.
Примеры
графических
изображений,
созданных
в
растровых
редакторах показаны на рисунке 1.
Рисунок 1 – Примеры графических изображений, созданных в растровых
редакторах
6
Векторные
редакторы
отличаются
от
растровых
способом
представления данных об изображении. Элементарным объектом векторного
изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для
чертежно-графических работ, в которых форма линий имеет большее
значение, чем информация о цвете отдельных точек, составляющих ее. В
векторных редакторах каждая линия рассматривается как математическая
кривая третьего порядка и, соответственно, представляется не комбинацией
точек, а математической формулой (в компьютере хранятся числовые
коэффициенты этой формулы). Такое представление намного компактнее,
чем растровое, соответственно данные занимают много меньше места,
однако построение любого объекта выполняется не простым отображением
точек на экране, а сопровождается непрерывным пересчетом параметров
кривой в координаты экранного или печатного изображения. Примеры
рисунков, созданных в редакторах векторной графики, показаны на рисунках
2 и 3.
Рисунок 2 – рисунки векторной графики
Соответственно,
работа
с
векторной
графикой
требует
более
производительных вычислительных систем. Из элементарных объектов
(линий) создаются простейшие геометрические объекты (примитивы) из
которых,
в
свою
очередь,
составляются
законченные
композиции.
7
Художественная иллюстрация, выполненная средствами векторной графики,
может содержать десятки тысяч простейших объектов, взаимодействующих
друг с другом.
Рисунок 3 – рисунки векторной графики
Векторные
редакторы
удобны
для
создания
изображений,
но
практически не используются для обработки готовых рисунков. Они нашли
широкое применение в рекламном бизнесе, их применяют для оформления
обложек полиграфических изданий и всюду, где стиль художественной
работы близок к чертежному.
Редакторы
трехмерной
графики
используют
для
создания
трехмерных композиций. Они имеют две характерные особенности. Вопервых,
они
позволяют
гибко
управлять
взаимодействием
свойств
поверхности изображаемых объектов со свойствами источников освещения
и, во-вторых, позволяют создавать трехмерную анимацию. Поэтому
редакторы трехмерной графики нередко называют также 3D-аниматорами.
Пример рисунка, созданного в редакторе трехмерной графики, показан на
рисунке 4.
8
Рисунок 4 – рисунок трехмерной графики
Для
создания
изображений
трехмерной
графики
используются
программы: 3D Studio MAX, Maya, Lightwave 3D, Rhino. Очень популярна
программа 3D Home. Она помогает создать красивый интерьер в вашем доме.
Одной из самых популярных программ для создания фрактальных
изображений Fractint. Кроме того, в настоящее время существует много и
других программных пакетов, для создания фрактальных рисунков.
Например, программа Manpwin дает возможность постоянного изменения
цветовой палитры. Примеры фрактальных изображений показаны на рисунке
5.
Рисунок 5 – рисунки фрактальной графики
9
Программное обеспечение обработки текстовых данных
Изучив материал, студент должен знать:

назначение и основные функции текстовых редакторов и текстовых
процессоров, приемы ручного ввода, редактирования и форматирования текста в
текстовом процессоре.
Изучив материал, студент должен уметь:

производить ввод и редактирование текста, работать с текстовыми блоками,
задавать основные параметры форматирования шрифтов, абзацев страниц.
Посмотрим, как кодируют текстовые данные для записи их в память компьютера.
Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число, то с помощью
двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов
достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить
различными комбинациями из восьми битов все символы английского и русского языков,
как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных
арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы, например
символ «@». Для одинакового кодирования текстовых данных существуют специальные
таблицы кодирования. К сожалению их, достаточно много из-за противоречий между
символами национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера. А
также трудности, связанные с единой системой кодирования текстовых данных вызваны
ограниченным набором кодов (256). В настоящее время разработана система, основанная
на 16-разрядном кодировании символов. Она получила название UNICODE. Шестнадцать
разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65536 различных символов – этого
поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.
3.8.1 Текстовые редакторы
Основные функции этого класса прикладных программ заключаются в вводе и
редактировании текстовых данных. Дополнительные функции состоят в автоматизации
процессов ввода и редактирования. Для операций ввода, вывода и сохранения данных
текстовые редакторы вызывают и используют системное программное обеспечение.
Впрочем, это характерно и для всех прочих видов прикладных программ, и в дальнейшем
мы не будем специально указывать на этот факт. С этого класса прикладных программ
обычно начинают знакомство с программным обеспечением и на нем отрабатывают
первичные навыки взаимодействия с компьютерной системой.
Примером таких программ могут служить программы «Блокнот» и WordPad.
Развернутое окно программы «Блокнот» показано на рисунке 1.
1
Рисунок 1 – Развернутое окно программы «Блокнот»
Текстовые редакторы ориентированы для работы с чисто текстовыми файлами,
среди которых огромное место занимают тексты программ, написанные на различных
языках программирования. На рисунке 43 текст программы, написанный на языке
программирования Visual Basic Script, который изучают студенты при освоении
дисциплины «Информатика» на нашем факультете. Также текстовые редакторы
используют для создания конфигурационных файлов, файлов с пакетами команд, файлов
настройки и др.
Текстовые процессоры
Основное отличие текстовых процессоров от текстовых редакторов в том, что они
позволяют не только вводить и редактировать текст, но и форматировать его, то есть
оформлять. Соответственно, к основным средствам текстовых процессоров относятся
средства обеспечения взаимодействия текста, графики, таблиц и других объектов,
составляющих итоговый документ, а к дополнительным — средства автоматизации
процесса форматирования. Современный стиль работы с документами подразумевает два
альтернативных подхода — работу с бумажными документами и работу с электронными
документами (по безбумажной технологии). Поэтому, говоря о форматировании
2
документов средствами текстовых процессоров, надо иметь в виду два принципиально
разных направления — форматирование документов, предназначенных для печати, и
форматирование электронных документов, предназначенных для отображения на экране.
Приемы и методы в этих случаях существенно различаются. Соответственно, различаются
и текстовые процессоры, хотя многие из них успешно сочетают оба подхода. Самый
распространенный текстовый процессор это Microsoft Word.
Текстовый процессор Microsoft Word
Текстовый процессор Word является многофункциональной программой для
обработки текстов.
Работая с текстовым процессором Word, пользователь имеет возможность
редактировать любой текст, легко вставлять в него рисунки, формулы, графики и
таблицы, создавать для разрабатываемых документов аннотации и оглавление, печатать
текст в соответствии с требованиями, предъявляемыми для печати данного документа,
создавать шаблоны и использовать уже имеющиеся для более быстрой работы.
Кроме того, существенным достоинством текстового процессора Word является
возможность импортирования в него из других программ текстов и иллюстраций
различных форматов, в результате чего они становятся частью документа Word.
После запуска программа редактирования Word предоставляет пользователю
чистый лист для документа со стандартным именем Документ 1. Написав текст,
пользователь должен сохранить его в своей папке, в файле с желательным для него
именем. Расширение имени файла, созданного в редакторе Word должно быть - .docx.
Если пользователь хочет отредактировать текст, уже созданный им ранее, он должен
загрузить его для работы, воспользовавшись командой «Открыть...».
После запуска программа Word работает с пользователем, как и любая другая
программа операционной среды в развернутом окне.
Главная - эта вкладка доступна по умолчанию при запуске Word. На ней
располагаются основные инструменты, предназначенные для выполнения базовых
операций по редактированию и форматированию (оформлению) текста. На данной
вкладке вы найдете инструменты пяти групп: Буфер обмена, Шрифт, Абзац, Стили и
Редактирование (см. рисунок 2).
3
Рисунок 2 – вкладка Главная
Вставка - как следует из названия этой вкладки, она предназначена для вставки в
документ всевозможных элементов: рисунков, таблиц, колонтитулов, специальных
символов и т.д. и т.п. (см. рисунок 3).
Рисунок 3 – вкладка Вставка
•
Разметка страницы - содержит инструменты, ориентированные на
установку и настройку различных параметров разметки страницы: размеров полей, цвета
и ориентации страницы, отступов и т.д. (см. рисунок 4).
Рисунок 4 – вкладка Разметка страницы
•
Ссылки – используется для создания в документе оглавления, сносок,
индексов и т.п. (см. рисунок 5)
Рисунок 5 – вкладка Ссылки
•
Рассылки - данная вкладка предназначена для работы с электронной почтой
(см. рисунок 6).
4
Рисунок 6 – вкладка Рассылки
•
Рецензирование содержит такие инструменты рецензирования документов,
как вставка примечаний, редактирование текста документа в режиме запоминания
исправлений и т.п. Кроме того, инструменты, размещенные на этой вкладке, позволяют
принимать или отменять исправления, внесенные другими пользователями, производить
сравнение документов и многое другое (см. рисунок 7).
Рисунок 7 – вкладка Рецензирование
Вид - предназначена для настройки режима просмотра документов в окне
программы (см. рисунок 8).
Рисунок 8 – вкладка Вид
Если присмотреться, то можно увидеть, что все инструменты на вкладках ленты
объединены в группы. Каждая из групп обведена малозаметной прямоугольной рамкой. И
говорить об этом не стоило бы, если бы не одна особенность. Несмотря на то, что на ленте
7 вкладок, все инструменты на ней не поместились.
Не поместившиеся инструменты (доступные раньше через меню) никуда не
пропали. В правом нижнем углу некоторых групп инструментов на ленте присутствует
значок
. Если щелкнуть по нему мышкой, то получите доступ к дополнительным
инструментам группы. Например, щелкнув мышкой по такому значку, расположенному в
5
группе Шрифт на вкладке Главная, вы откроете диалоговое окно Шрифт, в котором и
будут доступны расширенные настройки шрифтового оформления.
В некоторых случаях вместо диалогового окна отображается панель с
инструментами и/или настройками. Например, в случае со стилями, щелкнув по
вышеозначенному значку мышкой в группе Стили, вы отобразите одноименную панель, в
которой будут приведены все имеющиеся стили. Вызванная таким образом панель
отличается от диалогового окна тем, что в диалоговом окне вы должны произвести какуюлибо настройку, а только потом сможете продолжить работу с документом, панель же
доступна и может периодически использоваться на всем протяжении работы с
документом.
ПАНЕЛЬ БЫСТРОГО ДОСТУПА В самом верху окна программы, над лентой
располагается панель быстрого доступа. На этой панели располагаются инструменты,
доступные в любой момент и видимые в окне независимо от того, на какие вкладки ленты
вы переходите. По умолчанию на данной панели размещено всего три инструмента
Сохранить -
Отменить -
и Повторить -
. Однако вы можете добавить на
панель быстрого доступа и другие инструменты, какие вам будут нужны.
Чтобы сделать это, щелкните мышкой по направленной вниз стрелочке,
расположенной по правому краю панели, и в раскрывшемся списке выберите, что бы вы
еще хотели иметь всегда под рукой на панели быстрого доступа (см. рисунок8).
Если в предлагаемом списке вы не нашли нужного инструмента, выберите
команду Другие команды.... В результате на экране появится диалоговое окно
Параметры Word, открытое на настройках нужной нам панели. В окне вы увидите два
перечня (см. рисунок 9). В левом перечне приводится полный список имеющихся в Word
инструментов, а в правом - инструменты, размещенные на панели быстрого доступа.
Чтобы добавить новый инструмент, выделите его в левом списке и нажмите кнопку
Добавить (см. рисунок 10).
Кроме того, найдя на ленте нужный инструмент, можно быстро добавить его на
панель быстрого доступа следующим образом: щелкните по нему правой кнопкой мыши и
в появившемся контекстном меню выберите команду Добавить на панель быстрого
доступа. Чтобы убрать какой-либо инструмент с панели быстрого доступа, щелкните по
нему правой кнопкой мыши и в появившемся контекстном меню выберите Удалить с
панели быстрого доступа.
6
Рисунок 9 – развернутое окно программы Word (версия 2007)
Рисунок 10 – Окно «Настройка панели быстрого доступа»
Рисунок 11 – Строка состояния
7
Внизу окна текстового редактора Word располагается строка состояния (см.
рисунок 11). Она претерпела существенные изменения по сравнению WORD’ом 2003 и
теперь по умолчанию содержит следующие элементы:
Страница: «номер» из «номер» - с левого края строки состояния можно увидеть
номер текущей страницы, отображенной в данный момент на экране монитора. Щелкнув
мышкой по индикатору номера страницы в строке состояния, можно вызывать диалоговое
окно Найти и заменить, открытое на вкладке Перейти (см. рисунок 12). Введите номер
страницы, на которую вам требуется перейти, и вы переведете курсор в ее начало.
Рисунок 12 – Окно «Найти и заменить»
Число слов «количество» — показывает текущее количество слов и документе.
Щелкнув по нему мышкой, вы отобразите диалоговое окно Статистка (см. рисунок 13), из
которого
сможете
почерпнуть
разностороннюю
статистическую
информацию
о
документе: количество страниц, слов, знаков с пробелами, знаков без пробелов, абзацев,
строк. Если в документе выделить какой-либо фрагмент текста, то в строке состояния
помимо общего количества слов в документе отобразится количество слов в выделенном
блоке.
Рисунок 13 – Окно «Статистика»
Значок
- говорит о том, что, по мнению программы, в документе имеются
орфографические и/или грамматические ошибки. Щелкнув мышкой по данному значку,
вы перейдете к первой же попавшейся ошибке. При этом вам будет выдана краткая
сопроводительная информация. Изображение зеленой галочки на книге свидетельствует
об отсутствии ошибок.
8
Русский — показывает язык, который в данный момент используется для
проверки орфографии. Щелкните по названию языка мышкой, и на экране монитора
появится диалоговое окно Язык, в котором вы сможете выбрать какой-либо другой язык в
случае такой необходимости (см. рисунок 14).
Рисунок 14 – Окно для выбора языка для набора текста и проверки
правописания
- ярлыки режимов просмотра.
Ползунок – предназначен для настройки масштаба, в котором должен
отображаться документ в окне Word'a. Рядом с ползунком отображается численное
значение масштаба. Если щелкнуть мышкой по значению масштаба, откроется диалоговое
окно Масштаб, в котором можно настроить масштаб (см. рисунок 15).
Рисунок 15 – Окно «Масштаб»
Кроме перечисленных, в строке состояния еще могут находиться индикатор ввода
большими буквами, индикатор работы в режиме записи исправлений и т.д. Настроить, что
9
должно, а что не должно находиться в строке состояния, можно в раскрывающемся
списке, вызываемом щелчком правой кнопки мыши по строке состояния (см. рисунок 16).
Рисунок 16 – Окно для настройки строки состояния
Кнопки на вкладках ленты могут быть простыми, двухсекционными, а также
иметь вид полей ввода со свернутыми списками.
Простые кнопки никакого затруднения у вас вызывать не должны - просто
щелкайте по ним мышкой, когда это понадобится. Поля ввода со свернутыми (см. рисунок
17) предназначены для выбора из списка нужного значения или ввода в поле своего
значения. Выбрать значение из списка можно, щелкнув мышкой по расположенной рядом
стрелке, а чтобы ввести новое значение, щелкните мышкой по полю ввода, наберите
нужное с клавиатуры и нажмите по окончании «Enter».
При щелчке по левой секции двухсекционной кнопки сразу происходит заранее
предопределенное действие. При щелчке же по правой секции, т.е. по направленной вниз
стрелке, появляется поле, в котором представлены различные варианты изменяемого
параметра или выполняемого действия (см. рисунок 18). Вариант выбирается щелчком по
нему мышью.
СОХРАНЕНИЕ ТЕКСТА В РАЗНЫХ ФОРМАТАХ. Новый документ во время
его создания находится в памяти компьютера и, если его не сохранить на диске, то после
закрытия Word’а он исчезает и восстановить его будет невозможно. Иногда документ
действительно может быть «одноразовым», т.е. его создают для того, чтобы
воспользоваться им один раз, например, напечатать. Однако в большинстве случаев
10
созданный документ требуется сохранить, чтобы в дальнейшем с ним можно было
работать.
Рисунок 17 – Пример работы со свернутой кнопкой
Рисунок 18 – Пример работы с двухсекционной кнопкой
Для сохранения документа можно нажать сочетание клавиш «CTRL»+«S» или
щелкнуть мышкой по кнопке
- на панели быстрого доступа.
11
Если документ сохраняется впервые, то на экране появится окно «Сохранение
документа» (см. рисунок 19). Такое же окно будет появляться, если воспользоваться
командой «Сохранить как..».
Рисунок 19 – Окно «Сохранение документа»
В окне «Сохранение документа» необходимо выбрать папку, в которую требуется
сохранить документ. При необходимости можно создать новую папку. В поле ввода «Имя
файла» вводят название файла. В поле «Тип файла» выбираем формат, в котором мы
хотим файл сохранить. Так как в настоящее время достаточно популярен текстовый
процессор Word (версия 2003) часто требуется сохранение текстов в этом формате.
Набирая текст в программе Word, пользователь может выбирать тип и размер
шрифтов, форматировать текст, выравнивая его по краям или располагая в центре.
При наборе и редактировании текста возникает необходимость удалять,
перемещать и вставлять фразы и слова. Отдельные фрагменты текста могут повторяться
или использоваться в других документах. Для осуществления этих действий фрагменты
текста необходимо выделить скопировать в буфер (можно скопировать подряд 24
фрагмента), а затем вставлять из буфера при необходимости.
Набирая текстовый документ в редакторе Word, желательно соблюдать правила,
которые позволят качественно отформатировать текст.
Правила набора текста.
12
1.
Word осуществляет автоматический перевод на следующую строку при
приближении курсора к правому полю. Не нажимайте клавишу <Enter> в конце каждой
строки, а нажмите ее только в конце абзаца. Если Вам необходимо принудительно
перейти на новую строку внутри абзаца нажмите <Shift>+<Enter>.
2.
Используйте пробел только тогда, когда надо отделить друг от друга слова или
предложения. Между словами и предложениями при наборе текста не ставьте больше
одного пробела. Правильное расположение текста должно достигаться его правильным
форматированием.
3.
Ставя знаки препинания: точки, запятые и т. д., - делайте их принадлежностью
слова. Между словом и знаком препинания не должно быть пробелов.
4.
Помните о кнопке
«Отменить…», и используйте ее, если случайно
сделали что-то не так, как вам бы хотелось.
5.
Старайтесь при наборе текста шире использовать возможности текстового
процессора WinWord. Используйте контекстные меню и сервис, предоставляемый
пользователю программой WinWord. Как можно меньше делайте вручную.
6.
Набор часто повторяющихся фраз выполняйте с помощью автотекста. Очень
часто пользователю при наборе текста приходится повторять одну и ту же фразу или
какое-либо сочетание слов. В этом случае очень удобно организовать из этих фраз или
слов автотекст. Определяя имя элемента для автотекста лучше давать имена, состоящие
из одной буквы. Далее при наборе пользователь может вставлять автотекст, задав имя
элемента для автотекста и нажав клавишу F3.
7.
Старайтесь пронумеровать страницы текста. Большой текст, занимающий
много места в памяти лучше держать в нескольких файлах. А нумерацию можно начинать
с любого номера.
8.
В том случае, когда Вы точно знаете, что на данной странице у Вас больше не
будет текста, а следующий абзац текста начинается со следующей страницы, вставляйте
разрыв текста, а не переходите на следующую страницу многократным нажатием
клавиши <Enter>.
9.
Используйте кнопку
(непечатаемые символы). Появившиеся непечатаемые
символы помогут Вам разрешить многие вопросы.
10. Нужное расстояние между строками и границами документа достигается
операциями форматирования (о них подробно будет рассказано далее).
11. Набирайте текст документа, правильно задавая стиль (подробно о стилях
рассказано далее).
13
12. Вставка нестандартных и специальных символов осуществляется следующим
образом: курсор устанавливается в нужную позицию, затем выбирается символ, который
требуется вставить.
13. Обработку текста, созданного в другом редакторе и открытого в редакторе
Word, удобнее выполнять, выделяя фрагменты текста для обработки. Например, если в
таком тексте имеются специальные непечатаемые символы (конец строки, перевод
каретки, мягкие переносы), то их надо удалить. Это необходимо для выравнивания текста
по левому и правому краю. В этом случае пользователь должен нажать кнопку
(непечатаемые символы) и убедиться в наличии лишних специальных символов. Лишние
специальные символы необходимо удалить. Не забудьте, сохраняя отредактированный
текст, определить формат файла - документ текстового процессора Word.
14. Прежде чем нажать кнопку «OK» или «ДА», отвечая на вопрос программы,
внимательно прочитайте вопрос и обдумайте свой ответ.
15. Прежде чем выйти из текстового процессора Word сохраните свой документ на
внешнем носителе информации. При сохранении убедитесь, что Вы сохраняете его в
свою папку.
16. В названии файлов используйте содержательные и запоминающиеся имена.
Главным отличием текстовых редакторов от текстовых процессоров является
возможность форматирование текста.
Форматирование текста
Форматирование символов
Форматировать текст можно, преобразуя вид символов так, чтобы сделать их
полужирными (выделенными), подчеркнутыми, написанными курсивом (италикой),
большими или маленькими, одним шрифтом или другим.
Вид символа – это один из атрибутов текста. Другим атрибутом текста является
его размер. Характеристикой размера печати является кегль шрифта. Единица измерения
кегля – это пункт (point) – точка. Среди терминов, относящихся к размеру шрифта,
используется еще цицеро.
1 пункт = 1/72 дюйма = 0,375 мм
3 пункта = 1мм
72 пункта = 1 дюйм
12 пунктов = 1 цицеро = 0,43 см = 1 интервал на пишущей машинке
6 цицеро = 1 дюйм = 2,54 см
14
Понятие шрифт относится к полному набору символов алфавита, имеющих
рисунок, определенную насыщенность, наклон и размер.
Шрифты, разные по размеру и начертанию, но одинаковые по характеру рисунка,
объединяются в одну группу, называемую гарнитурой шрифта. Каждая гарнитура имеет
свое наименование (Arial, Times New Roman и т.п.).
Кегль – размер шрифта, включающий высоту буквы и свободные пространства
над и под буквами, образующие промежутки между строками текста.
Чтобы применить форматирование по размеру и виду уже набранного текста, его
следует выделить, а затем установить требуемые размеры и вид шрифта. Это можно
выполнить, вызвав окно диалога «Шрифт», например, вызвав его из контекстного меню.
Форматирование абзацев
Форматируя абзацы их можно центрировать, выравнивать по левому и правому
краю, изменять междустрочное расстояние, располагать абзацы на расстоянии друг от
друга. Это можно делать либо по ходу работы, либо включить форматирование в
описание стиля.
Форматирование абзаца удобнее задавать, вызвав окно диалога «Абзац». Это
окно можно увидеть при вызове команды «Абзац…», например из контекстного меню.
Вид окна диалога показан на рисунке 20.
Выравнивать текст можно по ширине, левому или правому краю, а также текст
можно центрировать (расположить по середине страницы). Уровень текста связан со
стилем, которым этот текст набран. Можно задавать отступы текста от левого и правого
полей.
Для выделения абзаца на странице его принято оформлять абзацным отступом.
Отступом на первой строке абзаца. Величина отступа задается в поле счетчика.
Между абзацами может быть задан интервал. Это особенно актуально, когда
требуется интервал между заголовком и основным текстом.
Очень важный для оформления документа параметр междустрочный интервал.
Такое расстояние называется интерлиньяжем. Междустрочный интервал в Word,
подобно кеглю, измеряется в пунктах. Стандартное значение междустрочного интервала,
заданное по умолчанию соответствует примерно 120% от кегля шрифта. Например, для
кегля в 10 пунктов будет использоваться интерлиньяж в 12 пунктов.
15
Рисунок 20 – Окно диалога «Абзац»
Форматирование с помощью стиля
Современный текстовый процессор Word имеет в своем арсенале средство
автоматизации труда пользователей – стили. Стили присоединяются к документу и
определяют особенность формы текстового абзаца. Применение стилей совершенно
необходимо, если Вы создаете многостраничный документ или разрабатываете
стандартную форму, которая затем будет часто повторяться и в других документах.
Разработав однажды нужный стиль, Вы можете затем легко использовать его в остальных
документах.
Стилем называется совокупность приемов форматирования (гарнитура шрифта,
его начертание, размер, выравнивание и т.д.), которой присвоено имя и отведено
специальное место в памяти компьютера. Стиль абзаца позволяет присвоить какому-либо
абзацу весь набор установленных параметров за один этап.
Задать нужный стиль можно, выделив абзац и выбрав нужный стиль из списка
стилей. При просмотре списка стилей следует обратить внимание, что многие из них
помечены символом конца абзаца ¶.
16
Если в списке нет нужного Вам стиля, можно его создать, выбрав стиль, на основе
которого будет создан ваш, стиль следующего абзаца и определив форматирование
шрифта и абзаца для данного стиля.
При использовании стиля для форматирования абзацев нужно следовать
следующим правилам:
•
правильно выбирайте задаваемый стиль в соответствии с его спецификой
(если это заголовок текста, то и стиль следует выбирать – «заголовок», если основной
текст, то «основной текст» и т.д.);
•
если Вы хотите применить стиль к абзацу на экране, то курсор должен
быть внутри абзаца, если курсор будет на свободном месте, то применяемый стиль будет
применен к набираемому тексту;
•
для форматирования с помощью стилей можно использовать кнопку на
панели инструментов -
- формат по образцу. Для этого надо выбрать абзац, который
имеет данный стиль как образец, щелкнуть на нем, затем щелкнуть внутри абзаца,
которому требуется задать данный стиль.
Используя стили серии «заголовок» в Word имеется возможность создания
структурированного документа. В этой структуре можно присваивать абзацам различные
иерархические уровни. Это позволяет работать с документом в режимах структуры и
схемы документа. А также создавать красивые оглавления документа.
Если нужно, чтобы одни части документа отличались по внешнему виду от
других, текст можно разделить на разделы. Все установки текста действуют в пределах
одного раздела. Если требуется, чтобы различные участки документа имели разную
ширину поля, специфический тип заголовка, различное количество колонок и т.д. нужно
применить разбивку на разделы. Для этого вставляют разрыв раздела. Обычно в
отдельные разделы выделяют: титульный лист, введение, приложение, схемы и т.д.
При наборе текста удобно пользоваться такими замечательными возможностями
текстового процессора Word, как проверка орфографических, синтаксических и
стилистических ошибок.
Текстовый процессор Word предоставляет пользователям усовершенствованные
средства создания и обработки таблиц
Для заполнения таблицы пользователю необходимо установить курсор в ту
ячейку таблицы, которую он хочет заполнить. Перемещение по таблице осуществляется с
помощью мыши или клавиш управления курсором. Комбинации клавиш для перемещения
по таблице приведены в таблице 2.
17
Таблица 2 - Комбинации клавиш для перемещения по таблице
Комбинации
клавиш
Enter
Shift + Tab
Назначение
Ввод нового абзаца в ячейки
Позиционирование курсора ввода к предыдущей ячейке
текущей строки
Позиционирование курсора ввода к первой ячейке текущей
строки
Позиционирование курсора ввода к первой ячейке текущего
столбца
Позиционирование курсора ввода к последней ячейке текущего
столбца
Перемещение курсора ввода на одну строку вверх
Перемещение курсора ввода на одну строку вниз
Позиционирование курсора ввода к последней ячейке текущей
строки
Вставка табулятора в ячейке
Alt + Home
Alt + PgUp
Alt + PgDn
стрелка ↑
стрелка ↓
Alt + End
Ctrl + Tab
В редакторе Word предусмотрены два альтернативных способа редактирования и
форматирования таблиц: с помощью мыши и с помощью команд меню. Выбор способа
зависит от пользователя, но в некоторых случаях использование мыши ускоряет работу,
да и сам процесс изменений нагляднее. Например, как было указано выше для изменения
ширины столбцов. При необходимости дополнить таблицу новыми данными или удалить
лишние, объединить несколько ячеек в одну, вставить или удалить столбцы и/или строки
целесообразно применять команды меню.
Заполняя
ячейки
таблицы,
пользователь
имеет
возможность
выполнять
простейшие вычисления. Формула для вычислений задается с помощью пункта меню
«формула», который находится в меню drop down пункта верхнего меню «Таблица».
Например, для вставки результата умножения пятой строки второго столбца на величину
1,14 в ячейку третьего столбца соответствующей строки можно воспользоваться функцией
PRODUCT(B5;1,14). В этом примере B5 определяет место первого сомножителя (второй
столбец, пятая строка). Второй сомножитель указан явно. Сомножители разделены знаком
Пользователь, заполняя таблицу, должен помнить, что не требуется ставить
пробелов для выравнивания информации в таблице. Выравнивание информации в таблице
можно
произвести,
например,
с
помощью
кнопок
на
панели
инструментов
форматирования.
Данные, занесенные в таблицу, могут быть не только отформатированы, но и
отсортированы. Полная сортировка таблицы, сопровождается перестановкой целых строк
и выполняется с помощью пункта «Сортировка...» в меню drop down пункта верхнего
18
меню «Таблица». При сортировке только сортируемые строки подлежат маркировке.
Например, шапку таблицы не выделяют. Отсортировать можно также и содержимое
отдельных столбцов таблицы. Для этого необходимо выделить столбец, подлежащий
сортировке. Параметры процесса сортировки меняются в диалоговом окне «Параметры».
Ввод формул
Прикладная программа Редактор формул (Microsoft Equation 2.0), входящая в
состав WinWord, позволяет вставлять в текст документа математические формулы и
символы. Вставленная в текст формула представляет собой объект. Редактор формул
очень полезен при оформлении научных отчетов, статей и т.д.
В процессе создания объектов с помощью Редактора формул можно использовать
интегралы, матрицы, символы теории множеств, дроби, корни и т.д. Их вид на экране и
бумаге одинаков.
Редактор формул может быть запущен по нажатию кнопки на панели
инструментов
. Редактор формул вызывается после того, как курсор установлен в то
место, где должна появиться формула. Вид развернутого окна редактора формул
представлен на рисунке 13.
При запуске редактора формул Equation 2.0 из WinWord строка меню изменяется,
в ней появляются пункты меню, предназначенные для редактирования формул. Вид
курсора ввода также изменяется. В рабочей области появляется кадр для ввода формулы и
пиктографическое меню математических символов (верхняя строка) и шаблонов (нижняя
строка). Математические символы представлены в меню в виде операторов или греческих
букв, которые можно использовать при составлении формул. Остальные элементы - это
шаблоны формул, в которые можно вставлять символы. Если после запуска Equation 2.0
пиктографическое меню перекрывает кадр для ввода формулы, следует переместить меню
обычным для среды семейства WINDOWS способом. Кадр для ввода формулы и
пиктографическое меню представлены на рисунке 21.
В пиктографическом меню можно выбрать необходимые математические
символы и ввести их в формулы. Математические символы упорядочены по назначению.
Для вставки символа необходимо зафиксировать указатель мыши на элементе меню
(поле), содержащим нужный символ. В результате откроется полный список доступных в
этом поле (группе) символов. После щелчка указанный символ будет вставлен в документ.
С помощью шаблонов в документ вводятся математические операции и такие
сложные объекты, как интеграл, матрица, выражения в скобках и т.д. Вставка шаблонов
19
осуществляется так же, как и вставка математических символов. Шаблоны можно
совмещать.
Рисунок 21 – Развернутое окно «Редактора формул»
В редакторе формул Equation 2.0 курсор напоминает литеру L. Элемент формулы
вводится в точке пересечения горизонтальной и вертикальной линии.
После ввода формулы пользователь может дважды кликнуть в тексте, набранном
в текстовом процессоре WinWord. После этого действия ему опять будет предоставлена
возможность работы с текстовым процессором WinWord. Формула вставлена в
оформляемый документ.
Рисование схем в WinWord
В том случае, когда пользователю необходимо вставить в свой документ
небольшую схему или схематичный рисунок, он может выполнить эти действия
средствами редактора WinWord. Для этого обычно используется панель инструментов
«Рисование». Вид панели инструментов «Рисование» представлен на рисунке 22.
Рисунок 22 – Панель инструментов «Рисование»
Действия, выполняемые кнопками на панели инструментов «Рисование»,
показываются пользователю в выплывающих рядом с кнопками пузырьках подсказки.
Используя расположенные на панели инструментов кнопки, пользователь может вводить в
20
свой документ прямоугольники, эллипсы и т.п., соединяя отдельные части схемы
линиями, стрелками или дугами. Схему, созданную из отдельных элементов, необходимо
сгруппировать в единый объект. Для этого выделяют отдельные объекты и нажимают
кнопку «сгруппировать» на панели инструментов.
21
1
Программное обеспечение служебного уровня
Изучив материал, студент должен знать:

назначение и основные функции утилит;

классификацию компьютерных вирусов по различным признакам и способы
защиты от них.
Изучив материал, студент должен уметь:

использовать
сервисные
программы:
форматирование
диска,
дефрагментация данных на диске, антивирусы, архиваторы.
Программное обеспечение служебного уровня взаимодействует как с
программами базового уровня, так и с программами системного уровня.
Основное назначение служебных программ (их также называют утилитами)
состоит в обслуживание файловой системы, а также в автоматизации работ
по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Во многих
случаях они используются для расширения или улучшения функций
системных программ. Некоторые служебные программы (как правило, это
программы обслуживания) изначально включают в состав операционной
системы, но большинство служебных программ являются для операционной
системы внешними и служат для расширения ее функций.
В разработке и эксплуатации служебных программ существует два
альтернативных направления: интеграция с операционной системой и
автономное функционирование. В первом случае служебные программы
могут изменять потребительские свойства системных программ, делая их
более удобными для практической работы. Во втором случае они слабо
связаны с системным программным обеспечением, но представляют
пользователю больше возможностей для персональной настройки их
взаимодействия с аппаратным и программным обеспечением.
2
Диспетчеры файлов (файловые менеджеры)
К служебным программным средствам относятся, во-первых,
диспетчеры файлов (файловые менеджеры).
С помощью программ данного класса выполняется большинство
операций, связанных с обслуживанием файловой структуры: копирование,
перемещение и переименование файлов, создание каталогов (папок),
удаление файлов и каталогов, поиск и навигация в файловой структуре.
Базовые программные средства, предназначенные для этой цели, обычно
входят в состав программ системного уровня и устанавливаются вместе с
операционной системой. Примером такой программы может служить
программа Explorer («Проводник»).
Рисунок 1 – Окно программы «Проводник»
Программа «Проводник» - одна из основных программ служебного
программного обеспечения интегрированная для работы в операционных
системах семейства WINDOWS. С помощью программы «Проводник»,
3
пользователь получает возможность управлять объектами в вычислительной
системе. Она является своего рода пультом управления компьютером и всеми
подключенными к нему устройствами.
Работая в программе «Проводник», пользователь видит ресурсы
вычислительной системы в виде иерархического дерева. Перемещаясь по
дереву, он может работать с объектами в данной вычислительной среде,
открывать имеющиеся и создавать новые объекты и изменять их свойства,
удалять, копировать, перемещать и переименовывать объекты по мере
необходимости. Программа «Проводник» может также помочь пользователю
в поиске необходимых ему на данном этапе работы объектов и быстрого
перехода к ним. Работая с программой «Проводник», можно печатать свои
документы, пересылать их в портфель, на гибкий магнитный диск или по
электронной почте.
Рисунок 2 – Окно программы «Проводник»
4
Вид окна программы «Проводник» показан на рисунках 37, 38. Обычно
окно программы «Проводник» включает две панели.
Левая панель показывает все ресурсы вычислительной системы в виде
иерархического дерева. Эта панель отображает все объекты, включая сетевое
окружение. Если объекты содержат вложенные папки, то на дереве в левой
панели они помечаются значком "+". Для отображения структуры всех
вложенных в папку объектов необходимо щелкнуть на знаке "+", и он
изменится на знак "-". Если структура данной папки не интересна
пользователю, надо щелкнуть на знаке "-", он превратится в знак "+", и
структура
папки
закроется.
Просматривая
иерархическое
дерево,
пользователь не только получает доступ к желаемому объекту, но и видит к
нему путь в вычислительной системе.
Правая
панель
программы
«Проводник»
является
панелью
содержимого и показывает содержимое папки, диска или другого сетевого
ресурса, выбранных для просмотра. Открыть папку для просмотра на правой
панели можно, щелкнув на ее значке или названии в левой панели окна.
То, в каком виде объект появляется на панели содержимого, зависит от
выбранного способа просмотра. Можно выводить объекты на экран в виде
крупных значков, мелких значков, списка или таблицы. Вид объектов на
правой панели развернутого окна программы «Проводник» определяется
выбором одного из радио переключателей, которые находятся в выпадающем
меню, пункта верхнего меню «Вид» или нажатием соответствующей кнопки
на панели инструментов.
Работая в развернутом окне программы «Проводник», пользователь
может открывать объекты для работы с ними в тех задачах, в которых они
были созданы или которые предназначены для работы с файлами такого
типа. Папки и другие ресурсы вычислительной системы могут быть открыты
в специальные окна, повторяющие правую панель программы «Проводник»,
и пользователь может работать в этих окнах, не отвлекаясь на остальные
5
ресурсы вычислительной системы. Для открытия объектов с использованием
программы «Проводник» достаточно либо дважды кликнуть на объекте, либо
использовать пункт контекстного меню «Открыть».
Последней строкой развернутого окна программы «Проводник» может
быть строка состояния. Наличие этой строки определяется установкой
переключателя «строка состояния» в меню drop down пункта верхнего меню
«Вид». Строка состояния содержит информацию о текущем выделенном
объекте. Если выбран диск, то строка состояния указывает объем свободного
пространства на нем. Если выделены файлы, то в строке состояния будет
показан размер дискового пространства, занятого файлами.
Форматирование дисков и дисководов
Форматирование – это создание структуры записи информации на
поверхности дискового носителя: разметка дорожек, секторов, записи
маркеров и другой служебной информации.
Жесткие диски, являющиеся основными устройствами хранения
информации
на
компьютере,
необходимо
отформатировать
перед
использованием. При форматировании диск настраивается в соответствии с
файловой системой для хранения информации средствами Windows. Для
современных компьютеров оптимальна файловая система NTFS. Обычно
жесткие диски в новых компьютерах уже отформатированы. Если для
расширения дискового пространства компьютера куплен новый жесткий
диск, то его, скорее всего, потребуется отформатировать.
Перед форматированием жесткого диска необходимо создать на нем
один или несколько разделов. После создания разделов можно приступать к
форматированию
каждого
из
них.
(Термины
«том»
и
«раздел»
взаимозаменяемы.) На жестком диске можно создать один или несколько
разделов. Каждому тому присваивается буква диска. В современных
6
компьютерах форматирование дисков выполняется программой «Управление
дисками».
Другие типы устройств хранения информации, в том числе различные
USB флэш-накопители и карты флэш-памяти, поступают в продажу уже
отформатированными
производителем.
Компакт-диски
и
DVD-диски
используют формат хранения, отличный от формата жестких дисков и
съемных запоминающих устройств.
Для компакт-дисков в Windows XP используют формат Mastered.
Последняя версия Windows предлагает новый формат, называемый файловой
системой Live. Диски, в которых используется формат файловой системы
Live, обычно
более
удобны, поскольку позволяют непосредственно
копировать выбранные файлы с желаемой частотой, как и при использовании
дискеты или флэш-накопителя USB. С другой стороны, диски с файловой
системой Live не могут быть использованы во всех компьютерах и
устройствах. Диски в формате файловой системы Live работают подобно
флэш-накопителю USB или дискете, что означает немедленное копирование
файлов на диск. Это удобно, если диск находится в устройстве записи и
файлы копируются по мере необходимости. Диски отформатированные в
системе Life cовместимы только с Windows XP и более поздними версиями
Windows.
Дефрагментация диска
В процессе удаления/добавления файлов на диск часто происходит его
фрагментация - разбиение на несколько частей, хранящихся в разных
областях диска. Она замедляет доступ к диску и уменьшает общее
быстродействие диска.
Наименьшей единицей хранения данных на диске является кластер.
Если свободного места па диске достаточно, то файлы записываются так, что
кластеры, в которые происходит запись, располагаются последовательно. В
7
этом случае обращения к файлу происходят достаточно быстро, поскольку
затраты времени на поиск очередных кластеров минимальны.
Если диск заполнен до отказа, запись на него возможна только после
освобождения некоторого количества кластеров путем удаления файлов. При
этом свободные области, образующиеся на диске, в общем случае не
образуют одну большую непрерывную область. При попытке записать
длинный файл на диск, имеющий прерывистую структуру свободных
областей, файл делится на фрагменты, которые записываются туда, где для
них нашлось место. Длительная работа с заполненным жестким диском
приводит к постепенному увеличению фрагментированности файлов и
значительному замедлению работы.
Дефрагментация диска — служебное приложение, предназначенное
для повышения эффективности работы жесткого диска путем устранения
фрагментированности файловой структуры. Программа «Дефрагментация
диска» выполняет перекомпоновку файлов таким образом, что длинные
файлы собираются из коротких фрагментов. В результате доступ к файлам
заметно упрощается и эффективность работы компьютера возрастает.
Для полной и правильной дефрагментации с помощью программы
«Дефрагментация диска» том должен иметь не менее 15% свободного
пространства. Программа «Дефрагментация диска» использует этот объем
как область для сортировки фрагментов файлов.
Программа «Очистка диска»
Чтобы уменьшить количество неиспользуемых файлов на жестком
диске для освобождения места на диске и повышения быстродействия
компьютера, используют функцию «Очистка диска». Она удаляет временные
файлы, очищает корзину и удаляет множество системных файлов и других
неиспользуемых элементов.
8
Программа очистки диска проверяет диск и выводит перечень
временных файлов, файлов кэша Интернета, а также ненужных программных
файлов, удаление которых не приведет к негативным последствиям.
Пользователь может выбрать удаление некоторых или всех этих файлов.
Средства сжатия данных и создания архивов
Архивирование данных упрощает их хранение за счет того, что
большие группы файлов и каталогов сводятся в один архивный файл. При
этом повышается и эффективность использования носителя за счет того, что
архивные файлы обычно имеют повышенную плотность записи информации.
Архиваторы часто используют для создания резервных копий ценных
данных. В настоящее время самыми распространенными программами
архиваторами являются программы WinZip и WinRar.
При установке программ архиваторов они интегрируются в программу
«Проводник». На рисунке 37 видно, что на компьютере с которого сделан
скриншот установлены программы архиваторы WinZip и WinRar. В
контекстном меню для выделенной группы файлов видны команды для
работы с этими программами.
Средства мультимедиа
Термин мультимедиа произошел от английского слова multimedia
(multi – много и media – среда), перевести можно как многие среды.
Мультимедиа-технология
позволяет
интегрировать
различные
виды
представления и обработки информации.
Мультимедиа – понятие комплексное. С одной стороны оно
подразумевает особый тип документов, а с другой – особый класс
программного и аппаратного обеспечения, работающий со звуковым и
видеорядом.
9
Программы мультимедиа сочетают в себе наличие видеофрагментов и
звука, статических картинок и гипертекста. Эти программы применяются для
создания компьютерных собраний коллекций музыкальных произведений,
музеев
искусств,
распространенным
видеофильмов,
классом
обучающих
мультимедийных
программ.
Самым
программ
являются
компьютерные игры.
Хочется отметить, что в тех случаях, когда речь идет о звукозаписи
или
видеозаписи,
вместо
термина
просмотр
применяют
термин
воспроизведение документов.
Обычно для работы с файлами данных необходимо загрузить их в
«родительскую» прикладную программу, с помощью которой они созданы.
Это дает возможность просматривать документы и вносить в них изменения.
Но в тех случаях, когда требуется только просмотр без редактирования,
удобно использовать более простые и более универсальные средства,
позволяющие
просматривать
стандартные
средства
документы
мультимедиа.
На
разных
типов.
современных
Например,
компьютерах,
работающих под управлением операционной системы из семейства Windows
это программы: «Проигрыватель Windows Media»; «Регулятор громкости»;
«Звукозапись». Развернутое окно задачи «Проигрыватель Windows Media»
показано на рисунке 3.
10
Рисунок 3 – Развернутое окно задачи «Проигрыватель Windows Media»
Средства диагностики
Предназначены
для
автоматизации
процессов
диагностики
программного и аппаратного обеспечения. Они выполняют необходимые
проверки и выдают собранную информацию в удобном и наглядном виде. Их
используют не только для устранения неполадок, но и для оптимизации
работы компьютерной системы. К таким пакетам, например, можно отнести
специальный пакет программ семейства Windows «Сведения о системе». Его
дополнительное преимущество состоит в том, что он позволяет провести
диагностику компьютера с удаленного сервера. Развернутое окно задачи
«Сведения о системе» показано на рисунке 4.
11
Рисунок 4 – Развернутое окно задачи «Сведения о системе»
«Сведения о системе» - это специальный пакет программных средств,
собирающих сведения о настройке операционной системы, ее приложений и
оборудования компьютерной системы. Средства этого пакета предназначены
для специалистов, выполняющих ремонтно-восстановительные работы.
Средства контроля (мониторинга)
Программные средства контроля иногда называют мониторами. Они
позволяют следить за процессами, происходящими в компьютерной системе.
При этом возможны два подхода: наблюдение в реальном режиме времени
или контроль с записью результатов в специальном протокольном файле.
Первый подход обычно используют при изыскании путей для оптимизации
работы вычислительной системы и повышения ее эффективности. Второй
подход используют в тех случаях, когда мониторинг выполняется
автоматически и (или) дистанционно. В последнем случае результаты
мониторинга можно передать удаленной службе технической поддержки для
12
установления причин конфликтов в работе программного и аппаратного
обеспечения.
Средства мониторинга, работающие в режиме реального времени,
особенно
полезны
для
практического
изучения
приемов
работы
с
компьютером, поскольку позволяют наглядно отображать те процессы,
которые обычно скрыты от глаз пользователя.
В Windows такой программой является программа Развернутое окно
задачи «Системный монитор» показано на рисунке 5.
Рисунок 5 – Развернутое окно задачи «Системный монитор»
Чтобы открыть оснастку «Системный монитор», нажмите кнопку
«Пуск», выберите команду «Панель управления», дважды щелкните значок
«Администрирование», затем дважды щелкните значок «Системный
монитор».
Программа «Системный монитор» позволяет контролировать загрузку
процессора, распределение оперативной памяти, обмена данными между
дисками
и другие
параметры
вычислительной
системы. Результаты
наблюдения можно отображать на экране в виде графиков или записывать в
протокольный файл. Исследование компьютера с помощью программы
«Системный
монитор»
позволяет
находить
«узкие
места»
в
13
производительности компьютерной системы, сравнивать между собой
варианты настройки аппаратных и программных средств.
Мониторы установки.
Программы этой категории предназначены для контроля за установкой
программного
обеспечения.
обеспечении
связана
с
Необходимость
тем,
что
между
в
данном
программном
различными
категориями
программного обеспечения могут устанавливаться связи. Вертикальные
связи
(между
уровнями)
являются
необходимым
условием
функционирования всех компьютеров. Горизонтальные связи (внутри
уровней) характерны для компьютеров, работающих с операционными
системами, поддерживающими принцип совместного использования одних и
тех же ресурсов разными программными средствами. И в тех и в других
случаях при установке или удалении программного обеспечения могут
происходить нарушения работоспособности прочих программ. Мониторы
установки следят за состоянием и изменением окружающей программной
среды, отслеживают и протоколируют образование новых связей и
позволяют восстанавливать связи, утраченные в результате удаления ранее
установленных программ. Простейшие средства управления установкой и
удалением программ обычно входят в состав операционной системы и
размещаются на системном уровне программного обеспечения, однако они
редко бывают достаточны. Поэтому в вычислительных системах, требующих
повышенной
надежности,
используют
дополнительные
служебные
программы. В Windows 98 это программа так и называется «Установка и
удаление программ».
14
Таблица символов
Таблица символов служит для просмотра символов, включенных в
выбранный шрифт. Она отображает следующие наборы символов: Windows,
DOS и Юникод.
Отдельный символ или группу символов можно скопировать в буфер
обмена, а затем вставить в любое приложение, в котором они будут
отображаться.
Окно программы «Таблица символов» показано на рисунке 6.
Рисунок 6 – Окно программы «Таблица символов»
С помощью таблицы символов можно искать символы по их именам
или диапазонам (таким, как стрелки или математические операторы) в
кодировке Юникод либо по другим признакам классификации.
Таблица символов служит также для просмотра и копирования личных
символов, созданных в редакторе личных символов.
15
Если известно значение нужного символа в кодировке Юникод,
специальный символ можно вставить непосредственно в документ без
помощи таблицы символов. Для этого откройте документ и отметьте
курсором место, куда требуется вставить специальный символ. Затем при
включенном режиме NUM LOCK нажмите клавишу ALT и, не отпуская ее,
введите на цифровой клавиатуре значение нужного символа в кодировке
Юникод.
Средства коммуникации (коммуникационные программы)
С появлением электронной связи и компьютерных сетей программы
этого
класса
приобрели
очень
большое
значение.
Они
позволяют
устанавливать соединения с удаленными компьютерами, обслуживают
передачу сообщений электронной почты, работу с телеконференциями
(группами новостей), обеспечивают пересылку факсимильных сообщений и
выполняют множество других операций в компьютерных сетях.
Кроме
программ,
обслуживающих
соединение
компьютеров
средствами глобальной компьютерной сети Интернет (о работе с этими
программами будет рассказано в разделе 8 «Компьютерные сети»),
существуют программы, которые позволяют установить связь между
компьютерами без провайдеров сети Интернет. Примером такой программы
может служить программа «Hyper Terminal». Она позволяет пользователям
пересылать информацию между компьютерами соединенными друг с другом
через телефонную сеть. Развернутое окно программы «Hyper Terminal»
показано на рисунке 7.
16
Рисунок 7 – Развернутое окно программы «Hyper Terminal»
Вирусы и антивирусы
В качестве средств активной защиты применяют антивирусное
программное обеспечение.
Компьютерный
вирус
-
специально
написанная
небольшая
компьютерная программа, которая может приписывать себя другим
программам и саморепредуцироваться (размножаться).
Компьютерный вирус – это программный код, встроенный в другую
программу, или в документ, или в определенные области носителя данных и
предназначенный для выполнения несанкционированных действий на
несущем компьютере.
Существует множество компьютерных вирусов, которые мешают
успешной работе пользователей на компьютерах.
Основными типами компьютерных вирусов являются:

программные вирусы;

загрузочные вирусы;

макровирусы.
17
Однако этого деления недостаточно, например, к компьютерным
вирусам примыкают и так называемые троянские кони. Для того, чтобы
сориентироваться в море этих программ, попробуем рассмотреть их
классификацию с разных точек зрения. Самым популярным подходом к
классификации
компьютерных
вирусов
является
классификация,
предложенная разработчиком самой популярной в России антивирусной
программы «Kaspersky Anti-Virus» Касперским. Лаборатория Касперского
предлагает классифицировать вирусы по различным признакам. Такой
подход к классификации показан на рисунке 8.
В первую очередь вирусы классифицируют по среде обитания. По
этому признаку выделяют следующие группы вирусов:

сетевые – вирусы, распространяющиеся через компьютерные

файловые – такие вирусы внедряются в выполняемые файлы,
сети;
которые имеют расширение exe и com;

загрузочные – эти вирусы внедряются в загрузочный сектор
диска или в сектор, содержащий программу загрузки системного диска;

файлово-загрузочные (многофункциональные) – поражают
загрузочные секторы дисков и файлы прикладных программ;
18
Программы – компьютерные вирусы
Загрузочные
По среде обитания
Файловые
Файлово-загрузочные
Сетевые
Системные
Безвредные
По степени воздействия
Неопасные
Опасные
Разрушительные
По способам заражения
среды обитания
Резидентные
Нерезидентные
Репликаторные
По алгоритмической
особенности построения
«Троянский конь»
Логическая бомба
Мутанты
Невидимки
Макровирусы
Вирусы-спутники
Вирусы-черви
Студенческие
Рисунок 8 – Классификация компьютерных вирусов
19

системные вирусы – эти вирусы проникают в системные модули
и драйверы периферийных устройств, таблицы размещения файлов и
таблицы разделов.
Также вирусы классифицируют по способам заражения, выделяя две
группы вирусов:

резидентные – эти вирусы при инфицировании попадают в
оперативную память компьютера и остаются там до его выключения, при
этом они заражают все запускаемые на этом компьютере программы;

нерезидентные – эта группа вирусов не заражает оперативную
память и является действующей только некоторое время.
При классификации по деструктивным возможностям выделяют
следующие группы вирусов:

безвредные – эти вирусы не влияют на работу компьютера, но в
то же время они занимают место в оперативной памяти, что естественно
замедляет выполнение программ;

неопасные
–
их
влияние
ограничивается
уменьшением
свободной памяти на диске, а также графическими и звуковыми эффектами;

опасные – эти вирусы приводят к серьезным сбоям в работе
компьютера;

разрушительные (очень опасные) – работа таких вирусов
приводит к потере программ и уничтожению данных.
Так
как
вирус
–
это
программа,
то
естественно
провести
классификацию по особенностям алгоритма. При таком подходе к
классификации выделяют следующие группы вирусов:

вирусы - спутники – эти вирусы не изменяют файлы, к которым
они себя приписывают;

вирусы - черви – так обычно строятся вирусы, которые
распространяются по компьютерной сети, они вычисляют адреса сетевых
20
компьютеров и рассылают по этим адресам свои копии, при этом
поддерживая между собой связь, а в случае прекращения существования
«червя» на каком-либо компьютере оставшиеся отыскивают свободный
компьютер и внедряют в него такую же программу;

репликаторные
(паразитические)
–
вирусы,
которые
распространяют копии, изменяя содержимое дисковых секторов или файлов;

полезную
«Троянский конь» – это программа, которая, маскируясь под
программу,
выполняет
дополнительные
функции,
о
чем
пользователь и не догадывается (например, собирает информацию об именах
и паролях, записывая их в специальный файл, доступный лишь создателю
данного вируса), либо разрушает файловую систему;

большой
логическая бомба – это программа, которая встраивается в
программный
определенного
события,
комплекс.
после
Она
которого
безвредна
до
наступления
реализуется
ее
логический
механизм. Например, такая вирусная программа начинает работать после
некоторого числа, или в какую-то конкретную дату (например, вирус
«Чернобыль» срабатывает 26 апреля), при наличии или отсутствии
определенного файла или записи файла и т.д.

программы-мутанты
–
это
программы,
которые
самовоспроизводясь, воссоздают копии отличающиеся от оригинала;

студенческие – как правило, это крайне примитивные по
алгоритму вирусы с непредсказуемыми последствиями;

вирусы-призраки (невидимки) – оригинальные программы,
позволяющие обманывать программы-антивирусы, труднообнаруживаемые
вирусы, редко бывают опасными, но иногда дают о себе знать, часто их
называют стелс-вирусы;
21

макровирусы – эти программы используют возможности
макроязыков, встроенные в офисные программы обработки данных
(текстовые процессоры, электронные таблицы и т.д.).
Считается, что никакой вирус не в состоянии вывести из строя
аппаратное обеспечение компьютера. Однако бывают случаи, когда
аппаратное и программное обеспечение настолько взаимосвязаны, что
программные повреждения приходится устранять заменой аппаратных
средств.
Существует три рубежа защиты от компьютерных вирусов:

предотвращение поступления вирусов;

предотвращение вирусной атаки, если вирус все-таки поступил в
компьютер;

предотвращение разрушительных последствий, если атака все-
таки произошла.
Существуют три метода реализации защиты:

программные методы защиты;

аппаратные методы защиты;

организационные методы защиты.
Для борьбы с вирусами на рынке программных продуктов постоянно
появляется большое количество антивирусных программ. И хотя следует
признать, что в настоящее время в России безусловными лидерами
антивирусной борьбы являются программы лаборатории Касперского, тем ни
менее существуют и другие программы антивирусы.
Основные рекомендации по защите от вирусов и лечению:

регулярно делайте копии важных файлов и системных областей
диска;

получайте программное обеспечение законным способом;
22

при подозрении о том, что у вас вирус надо немедленно
выключить компьютер;

при лечении используйте чистую операционную систему,
загружаемую с дискеты, защищенной от записи или диска CD;

регулярно обновляйте антивирусные программы;

никогда не следует запускать программы, полученные по
электронной почте, особенно вложения. Следует сохранить файл на диске,
проверить его антивирусной программой и только потом запускать. Если
имеется подозрение, что в письме вирус, то его лучше удалить;

не доверять адресам «солидных» отправителей. Поскольку адрес
отправителя можно подделать, пользователь может получить «антинужную»
информацию или вирус;

не сообщать свой пароль и личные данные, если отправитель
предлагает адресату даже нечто очень заманчивое;

открывая файлы MS Office по возможности не использовать
макросы;

если сомневаетесь в своих силах, позовите специалиста, не
лечитесь сами.
1
Программное обеспечение системного уровня. Операционные системы
Программное обеспечение системного уровня
Этот
уровень
переходный.
Программы,
работающие
на
этом
уровне,
обеспечивают взаимодействие прочих программ компьютерной системы с программами
базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением, то есть выполняют
«посреднические» функции.
Системное программное обеспечение - совокупность программ и программных
комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей.
Системное программное обеспечение направлено:
−
на создание операционной среды функционирования других программ,
−
на обеспечение надежной и эффективной работы самого компьютера и
вычислительной сети.
Данный класс программных продуктов тесно связан с типом компьютера и
является его неотъемлемой частью. Программные продукты, в основном, ориентированы
на квалифицированных пользователей - профессионалов в компьютерной области:
системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора.
Однако, знание базовой технологии работы с этим классом программных продуктов
требуется
и
конечным
пользователям
персонального
компьютера,
которые
самостоятельно не только работают со своими программами, но и выполняют
необходимое обслуживание компьютера, программ и данных.
От программного обеспечения этого уровня во многом зависят эксплуатационные
показатели всей вычислительной системы в целом. Так, например, при подключении к
вычислительной системе нового оборудования на системном уровне должна быть
установлена программа, обеспечивающая для других программ взаимосвязь с этим
оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными
устройствами, называются драйверами устройств – они входят в состав программного
обеспечения системного уровня.
Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с
пользователем. Именно благодаря им он получает возможность вводить данные в
вычислительную систему, управлять ее работой и получать результат в удобной для себя
форме. Эти программные средства называют средствами обеспечения пользовательского
интерфейса.
От
них
напрямую
зависит
производительность труда на рабочем месте.
удобство
работы
с
компьютером
и
2
Совокупность программ системного уровня образует операционную систему
компьютера. Если компьютер оснащен программным обеспечением системного уровня, то
он уже подготовлен к установке программ более высоких уровней, к взаимодействию
программных средств с оборудованием и, самое главное, к взаимодействию с
пользователем. То есть наличие операционной системы – непременное условие для
возможности практической работы человека с вычислительной системой.
Однако, часто классифицируя программное обеспечение, считают частью
операционной системы служебное программное обеспечение. Очень часто встречается
такая схема классификации современного программного обеспечения.
Программные продукты данного класса носят общий характер применения,
независимо от специфики предметной области. К ним предъявляются высокие требования
по надежности и технологичности работы, удобству и эффективности использования.
Операционные системы
Операционная система - это комплекс специальных программ и правил,
предназначенных
для
управления
загрузкой,
запуском
и
выполнением
других
пользовательских программ, а также для планирования и управления ресурсами
вычислительной системы и процессами, использующими эти ресурсы при вычислениях.
Операционная система представляет собой комплекс системных программных
средств. С одной стороны она опирается на базовое программное обеспечение
компьютера, входящее в систему BIOS (базовую систему ввода-вывода), с другой стороны
она сама является опорой для программного обеспечения более высоких уровней –
прикладных и большинства служебных приложений.
Приложениями
операционной
системы
принято
называть
программы,
предназначенные для работы под управлением данной системы.
Основная функция всех операционных систем – посредническая. Она заключается
в обеспечении нескольких видов интерфейса:
 интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами
компьютера (пользовательский интерфейс);
 интерфейса между программным и аппаратным обеспечением (аппаратнопрограммный интерфейс);
 интерфейса между разными видами программного обеспечения (программный
интерфейс).
3
Для одной аппаратной платформы, например, такой как IBM PC, существует
несколько операционных систем. Различия между ними рассматривают в двух категориях:
внутренние и внешние.
Внутренние различия характеризуются методами реализации основных функций.
Внешние различия определяются наличием и доступностью приложений данной
системы, необходимых для удовлетворения технических требований, предъявляемых к
конкретному рабочему месту.
Важно подчеркнуть, что операционная система – это именно комплекс программ,
неоднородный по характеру и многоплановый по уровню. Этот
комплекс программ
динамичен по своему составу: из него можно удалять, а в него добавлять различные части.
Та часть программ, которая взаимодействует с аппаратными средствами непосредственно
и поэтому должна постоянно храниться в компьютере, составляет ядро операционной
системы. В частности, программное обеспечение, входящее в состав ядра, отвечает за
проверку работоспособности компьютера и выполнение элементарных (базовых)
операций, связанных с работой монитора, клавиатуры, магнитных накопителей и т.п.
Операционная система образует автономную среду, не связанную ни с одним из
языков программирования. Любая прикладная программа связана с операционной
системой и может эксплуатироваться только на тех компьютерах, где имеется аналогичная
системная
среда
(или
должна
быть
обеспечена
возможность
конвертации
–
преобразования программ).
Базовая часть операционной системы хранится в микросхемах постоянного
запоминающего устройства (ПЗУ). Остальные программы хранятся на внешнем
запоминающем устройстве, к которому может быть обеспечен относительно быстрый
доступ. Например, на жестком диске. Но программы операционной системы могут
храниться и на CD-диске, который в этом случае называются системными. При
включении компьютера эта часть операционной системы автоматически загружается с
диска в оперативную память.
Использование компьютера на уровне машинного языка затруднительно.
Программы операционной системы скрывают от программиста и пользователя все реалии
аппаратуры и предоставляют возможность простого, удобного просмотра указанных им
файлов, чтения или записи их. Операционная система предоставляет пользователю и
программисту простой файловый интерфейс и, кроме того, выполняет всю работу,
связанную с обработкой прерываний, управлением таймером и оперативной памятью, а
также решает другие низкоуровневые проблемы. Таким образом, благодаря операционной
системе, пользователь имеет дело с абстрактной, воображаемой машиной, которая гораздо
4
проще и удобнее в обращении, чем реальная аппаратура, лежащая в основе
вычислительной системы. С этой точки зрения операционная система предоставляет
пользователю
и
программисту
некую
виртуальную
машину,
которую
легче
запрограммировать и с которой легче работать, чем непосредственно с аппаратурой,
составляющей реальную машину. Для реализации этой функции операционная система
поддерживает два интерфейса по уровню выше аппаратного.
1.
Пользовательский
интерфейс
-
командный
язык
для
управления
функционированием компьютера и набор сервисных услуг, освобождающих пользователя
от выполнения рутинных операций.
2.
Программный интерфейс - набор услуг, освобождающих программиста от
выполнения рутинных операций.
Таким образом, обеспечивается упрощение доступа к ресурсам вычислительной
системы.
Кроме
того
важнейшей
задачей
операционной
системы
является
распределение ресурсов памяти между процессами, конкурирующими за эти ресурсы.
Ресурс
-
это
любой
логический
или
физический
компонент
ЭВМ
и
предоставляемые им возможности. Основные ресурсы процессор и процессорное
время, оперативная память и периферийные устройства.
Процессом (задачей) называется последовательность действий, предписанных
программой или ее логически законченной частью, а также данные, используемые при
вычислениях. Процесс (задача) является минимальной единицей работы, для которой
выделяются ресурсы.
Управление ресурсами включает решение следующих задач:
− планирование ресурса – то есть определение, кому, когда, а для делимых
ресурсов – и в каком количестве необходимо выделить данный ресурс (распределение
ресурсов между конкурирующими за них процессами);
− отслеживание состояния ресурса – то есть поддержание оперативной
информации о том, занят или не занят ресурс, а для делимых ресурсов, какое количество
ресурса уже распределено, а какое свободно.
Таким образом, управление ресурсами обеспечивает одновременное выполнение
(или, по крайней мере, одновременное хранение в оперативном запоминающем
устройстве) нескольких программ.
От эффективности алгоритмов управления локальными ресурсами компьютера во
многом зависит эффективность всей операционной системы (ОС) в целом. Поэтому,
характеризуя сетевую операционную систему, часто приводят важнейшие особенности
5
реализации функций операционной системы по управлению процессорами, памятью и
внешними устройствами автономного компьютера.
Итак, подводя итог: операционная система предназначена для планирования и
управления вычислительными ресурсами компьютера, для управления выполнением
прикладного программного обеспечения. В этом классе программных продуктов наиболее
широкое распространение получили операционные системы семейства Windows (фирма
Microsoft), OS/2 (фирма IBM), Unix (свободнораспространяемая).
И в заключении. Все операционные системы способны обеспечить как пакетный
так и диалоговый режим работы.
В пакетном режиме операционная система автоматически выполняет заданную
последовательность команд.
В диалоговом режиме операционная система находится в ожидании команды
пользователя и, получив ее, приступает к исполнению, а исполнив, возвращает отклик и
ждет очередной команды.
Файловая структура операционных систем. Операции с файлами
При хранении данных решаются две проблемы: как сохранять данные в
наиболее удобном и компактном виде и как обеспечить к ним быстрый и
удобный доступ (если доступ не обеспечен, то хранение некорректное).
Для решения проблемы сохранности данных в удобном и компактном
виде разработана двоичная система и введены понятия бит и байт.
Для обеспечения быстрого и удобного доступа к данным данные
хранят в виде упорядоченных структур (подробно о структурах смотри п.
данного учебного пособия), имеющих адресацию. Например, каждый байт в
памяти имеет свой адрес. Содержимое ячейки памяти процессора
называется машинным словом. Машинное слово может состоять из двух,
четырех или какого-либо другого количества байт и также иметь свой адрес.
Машинным словом определяется разрядность процессора. Однако
обращаться к данным по адресам байтов, слов или более крупных единиц
хранения данных килобайт или мегабайт пользователю неудобно. Для
удобства работы пользователя в качестве единицы хранения данных принят
объект переменной длины, называемый файлом.
6
Файл – это последовательность произвольного числа байтов,
обладающая уникальным собственным именем.
Т.к. файлы хранят на внешних носителях информации, то очень часто
используют и такое определение файла.
–
Файл
это
поименованная
область
внешнего
носителя
информации. Она обладает произвольным размером и уникальным
именем.
Или
еще
файл
–
именованная
последовательность
байтов
произвольной длины.
Или файл – это наименьший поименованный массив информации.
Или файл – это основная единица организации информации на
носителе.
Из определений следует (во всяком случае, из первых трех), что файл
может иметь нулевую длину. Т.е. создание файла состоит в присвоении ему
имени и регистрации его на внешнем носителе.
Обычно в отдельном файле хранят данные одного типа. Тип данных
определяет тип файла. А так как разные данные в памяти компьютера
формируются
различными
программами,
то
и
тип
файла
задается
программой, которая этот файл сформировала.
В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно несет в
себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не будут
найдены и не превратятся в информацию. А также конкретное название
файла, задаваемое пользователем и позволяющее ему идентифицировать
различные файлы. Ну, и, конечно, тип файла, который показывает какие
данные хранятся в файле. Тип файла очень важен для автоматической работы
с данными. По имени файла можно автоматически определить адекватный
метод извлечения информации из файла.
Так, например, если файл имеет тип exe или com, то это файлы, в
которых записаны программы готовые к выполнению. Если тип файла txt или
doc, в таких файлах текстовые документы. Файлы типов bas, pas или vbs
7
содержат исходные модули программ на языках программирования паскаль,
бейсик и visual basic script. Основные типы файлов показаны в приложение 1.
Файловая структура
Имя файла должно быть уникально, иначе невозможен однозначный
доступ к данным. Уникальность имени обеспечивается автоматически.
Создать файл с именем, которое уже имеется, пользователь не может.
Хранение файлов организуется в иерархической (древовидной)
структуре.
Иерархическая структура организации файлов на внешнем
носителе информации называется файловой структурой.
В качестве вершины структуры служит логическое имя носителя,
на котором сохраняются файлы. Файлы группируются в каталоги (папки),
внутри которых могут быть созданы вложенные каталоги (папки).
Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и включает
все имена каталогов (папок), через которые проходит. В качестве
разделителя используется символ «\». По сути, путь к файлу определяет
местоположение файла на внешнем носителе.
Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем
файла считается собственное имя файла (т.е. его название, заданное
пользователем) с путем доступа к нему. Также полное имя файла содержит,
так называемое, расширение, которое показывает тип файла. Расширение от
названия файла отделяется символом (.) точка. Например, файлы могут иметь
такие полные имена:
D:\Мои документы\761\Иванова\Лабораторная работа 1.txt
или
D:\Мои документы\761\Петров\Лабораторная работа 1.txt
Оба файла имеют одинаковое собственное имя и размещены на одном
носителе, но отличаются путем доступа. Т.е. полные имена у них разные.
8
Очевидно,
что
логическая
организация
файлов
достигается
объединением их в каталоги, Каталог содержит файлы, объединенные по
какому-либо признаку – их создателем, их тип, тема и т.п. Каталог
запоминается на носителе как файл, который содержит информацию о
входящих в него файлах. Каталогов на носителе может быть много, и они
могут иметь различные степени вложенности. Все каталоги, находящиеся на
носителе,
образуют
иерархическую
структуру
(древовидную)
(для
операционных систем семейства Windows).
На практике, в различных операционных системах файловые
структуры
реализуются
по-разному.
Для
этого
вводится
понятие
файловой системы.
3.4.3 Файловая система
Основной задачей, которую решает файловая система, является
обеспечение
взаимодействия
программ
и
физических
устройств
ввода/вывода, таких как накопители на жестких дисках, флоппи дисках и т.д.
Современные операционные системы обеспечивают создание файловой
системы, предназначенной для хранения файлов на внешних носителях и
обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы
табличный
(не
путайте
с
файловой
структурой,
которая
имеет
иерархическую организацию). Поверхность жесткого диска, например,
рассматривается как трехмерная матрица, измерениями которой являются
номера поверхности, цилиндра и сектора. Под цилиндром понимается
совокупность всех дорожек, принадлежащим разным поверхностям и
находящихся на равном удалении от оси вращения. Группы секторов
условно объединяются в кластеры.
Кластер является наименьшей единицей адресации к данным.
Размер кластера не фиксирован и зависит от емкости диска.
Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл,
хранятся в системной области диска в специальных таблицах FAT (File
9
Allocation Table) или NTFS (New Technology File System) – для операционных
систем семейства Windows. Поскольку нарушение работы таблиц файловой
системы приводит к невозможности использовать данные, записанные на
диске, к работе этих таблиц предъявляются особые требования надежности
работы.
Физическая организация данных описывает правила расположения
файлов на носителе. Расположение файла описывается расположением
принадлежащих ему блоков.
Блоком называется наименьшая единица данных, которой устройство
ввода/вывода может обмениваться с памятью.
Простейший
способ
расположения
файла
–
непрерывная
последовательность блоков. Такой способ наряду с основным своим
основным достоинством – простотой, которая позволяет адресовать файл
всего лишь адресом его первого блока, имеет ряд существенных недостатков:
− во-первых, во время создания файла системе может быть не
известен его размер, то есть система не знает, сколько места на носителе надо
зарезервировать;
− во-вторых, неизбежна сильная фрагментация носителя.
Для устранения этих недостатков могут использоваться связанные
блоки. В таком случае блок помимо данных содержит ссылку на следующий
блок и т.д. Основным недостатком такого способа является то, что программа
не может непосредственно обратиться к произвольному участку файла, и
чтобы прочитать, например, последний блок, необходимо последовательно
обратиться ко всем блокам файла. Недостатком такого способа организации
данных является также то, что информация, хранящаяся в блоке данных,
теряет однородность, так как содержит не только данные файла, но и
служебную информацию.
Решить эти проблемы может использование связанного списка
индексов. При такой организации данных нет необходимости просматривать
все данные для чтения последнего блока файла, достаточно просмотреть
10
таблицу индексов. При этом сохраняется однородность данных, хранящихся
в блоке, так как служебная информация хранится в отдельной области,
располагающейся, в случае жесткого диска, на внутренних дорожках, что
обеспечивает быстрый доступ к ней.
Перечисленные способы физической организации файлов на носителе
схематично изображены на рисунке 1.
1
1
2
2
3
3
4
Ф
4
5
5
6
6
7
7
8
8
Рисунок 1 – Физическая организация файлов на носителе
Обслуживание файловой структуры
Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хранятся в
табличной структуре, для удобства пользователя они представляются во
время его работы на компьютере в виде иерархической структуры. Все
необходимые преобразования для этого осуществляет операционная система.
К функции обслуживания файловой структуры относятся следующие
операции, происходящие под управлением операционной системы:

создание файлов и присвоение им имен;

создание каталогов (папок) и присвоение им имен;

переименование файлов и каталогов (папок);
11

копирование
и
перемещение
файлов
между
носителями
компьютера и между каталогами (папками) одного носителя;

удаление файлов и каталогов (папок);

навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному
файлу, каталогу (папке);

управление атрибутами файлов

создание ярлыков;

запуск программ и открытие документов.
Таким образом, видим основные функции, выполняемые файловой
системой можно разделить на две группы:

функции для работы с файлами, то есть их создание, удаление,
изменение атрибутов, определение структуры файлов;

функции для работы с данными, хранящимися в файлах, то есть
чтение и запись, поиск и т.д.
Таким образом, в логическом плане файловую систему можно
разделить на следующие составные части:

файлы, хранящиеся на устройстве ввода/вывода;

структура файлов;

функции работы с файлами и их структурой.
Атрибуты файлов
Основные атрибуты файла, которые могут использоваться файловой
системой:

текущий размер файла;

максимальный размер файла;

длина записи;

времена создания, последнего доступа и последнего изменения;

владелец файла;

создатель файла;
12

информация о доступе к файлу;

пароль для доступа к файлу;

признак «только для чтения»;

признак «скрытый файл»;

признак «системный файл»;

признак «архивный файл»;

признак «двоичный/символьный файл»;

признак «временный файл»;

признак блокировки.
Права доступа к файлу
В
многопользовательских
системах
доступ
к
файлу
разных
пользователей должен быть разграничен, то есть операции с определенными
файлами или каталогами должны быть разрешены для одних пользователей и
запрещены для других. Это касается операций, как с данными, так и с их
структурой.
Для облегчения администрирования некоторые системы позволяют
описывать правила доступа для групп пользователей, тогда правила,
установленные
для
группы,
действуют
для
всех
входящих
в
нее
пользователей. Системой может быть предоставлена возможность включения
одного пользователя в разные группы, а также описания правил как для
групп, так и для отдельных пользователей, что позволяет гибко разграничить
доступ к файлам.
Всю работу с файловой структурой выполняет служебная программа
«Проводник». О программах служебного уровня будет рассказано на
следующей лекции.
1
ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ
ПРОЦЕССОВ
Основные понятия
Возможности компьютера как технической основы информационных процессов и
технологий обработки данных связаны с используемым программным обеспечением
(программами).
Программа
упорядоченная
-
последовательность
команд
(инструкций)
компьютера для решения задачи.
Программное обеспечение (sowtware) - совокупность программ обработки
данных и необходимых для их эксплуатации документов.
При реализации информационных процессов с помощью компьютеров широко
используются термины « задача» и « приложение».
Задача (problem, task ) - проблема, подлежащая решению.
Приложение
(application)
-
реализованное
средствами
информационной
технологии решение задачи.
Таким
образом,
задача
означает
проблему,
подлежащую
реализации
с
использованием средств информационных технологий, а приложение - реализованное
решение по задаче, хотя в ряде случаев эти термины можно считать и синонимами.
С позиций специфики разработки и вида программного обеспечения будем
различать два класса задач - технологические и функциональные.
Технологические задачи ставятся и решаются при технологическом процессе
обработки информации на компьютере. Технологические задачи являются основой для
разработки сервисных средств программного обеспечения в виде утилит, сервисных
программ, библиотек процедур и др. , применяемых для обеспечения работоспособности
компьютера, разработки других программ или обработки данных функциональных задач.
Функциональные задачи появляются и требуют решения при реализации функций
управления в рамках информационных систем предметных областей. Например,
управление деятельностью торгового предприятия, планирование выпуска продукции,
управление перевозкой грузов, информационный поиск в базе данных и т.п.
Функциональные задачи в совокупности образуют предметную область и полностью
определяют ее специфику.
Предметная (прикладная) область (application domain) - совокупность связанных
между собой функций, задач управления, с помощью которых достигается выполнение
2
поставленных целей. Часто предметную область определяют, как часть реального мира,
для которой необходимо решить задачу управления на компьютере.
Для решения задач могут использоваться алгоритмы, типовые модели и методы
решения задач, представленные в готовых программных продуктах. В этом случае
осуществляется адаптация программного продукта к условиям конкретного применения.
Во всех остальных случаях разрабатываются оригинальные алгоритмы и программы
реализации комплекса задач.
Программирование (programming)- теоретическая и практическая деятельность,
связанная с созданием программ.
Программирование является собирательным понятием и может рассматриваться и
как “наука”, и как “искусство”, на этом основан научно-практический подход к разработке
программ.
Программа - результат интеллектуального труда, для которого характерно
творчество. В любой программе присутствует индивидуальность ее разработчика,
программа отражает определенную степень искусства программиста. Вместе с тем,
программирование предполагает и рутинные работы, которые могут и должны иметь
строгий регламент выполнения и соответствовать стандартам.
Программирование базируется на комплексе научных дисциплин, направленных
на исследования, разработку и применение специализированного инструментария
создания программ. При разработке программ используются ресурсоемкие и наукоемкие
технологии, высококвалифицированный интеллектуальный труд, что также определяет
специфику этой сферы деятельности.
Программирование - это развитая отрасль хозяйственной деятельности, связанная
со значительными затратами материальных, трудовых и финансовых ресурсов.
Совокупный оборот в сфере создания программных средств достигает нескольких сот
млрд. долларов в год.
В связи с ростом потребности в разнообразных программах обработки данных
весьма актуален вопрос применения эффективных технологий программирования и их
перевода на промышленную основу. Это означает:
•
стандартизацию,
тиражируемость
и
воспроизведение
различными
разработчиками методов программирования,
•
внедрение прогрессивных инструментальных средств разработки программ,
•
использование специальных методов и приемов организации и выполнения
работ по разработке программ (методология управления проектами).
Понятие программного продукта
3
Все программы по типу их пользователей можно разделить на два класса (рис.1) утилитарные программы и программные продукты (изделия).
Этот признак классификации является определяющим. Он позволяет изменить
статус программы, вместо “подсобного” инструментария обработки данных она
превращается в “основное средство”. Таким образом, в зависимости от вида
“потребителя” различают программы “внутреннего” применения и программные
продукты (изделия) для “внешнего” распространения.
ПРОГРАММЫ
Утилитарные программы
Программные продукты
Рисунок 1. – Классификация программ по категориям пользователей
Утилитарные программы (“программы для себя”) предназначены для удовлетворения нужд
их разработчиков. Чаще всего, утилитарные программы выполняют роль сервиса в технологии
обработки данных, либо являются программой решения функциональной задачи, не предназначенной
для широкого распространения.
Программные продукты (изделия) предназначены для удовлетворения потребностей
пользователей, широкого распространения и продажи, также как и прочие изделия, являющиеся
предметом купли-продажи или обмена .
Программный продукт должен быть соответствующим образом подготовлен к эксплуатации,
иметь необходимую техническую документацию, предоставлять сервис и гарантию надежной работы
программы, иметь товарный знак изготовителя, а также желательно наличие кода государственного
классификатора. Только при таких условиях созданный программный комплекс может быть назван
программным продуктом.
Программный продукт - комплекс взаимосвязанных программ для решения определенной
проблемы (задачи) массового спроса, подготовленный к эксплуатации как любой вид промышленной
продукции.
Путь “программ для себя” до программных продуктов достаточно долгий, он связан с
изменениями технической и программной среды разработки и эксплуатации программ, с появлением и
развитием самостоятельной отрасли народного - информационного бизнеса, для которой характерно
разделение труда фирм-разработчиков программ, их дальнейшая специализация, формирование рынка
программных средств и информационных услуг. Этот процесс общемирового масштаба.
Программные продукты могут создаваться как:
−
индивидуальная разработка под заказ;
−
разработка для массового распространения среди пользователей.
При индивидуальной разработке фирма-разработчик создает оригинальный программный
продукт, учитывающий специфику обработки данных для конкретного заказчика.
4
При разработке для массового распространения фирма-разработчик, с одной стороны, должна
обеспечить универсальность выполняемых функций обработки данных, с другой стороны, - гибкость и
настраиваемость программного продукта на условия конкретного применения. Отличительной
особенностью программных продуктов должна быть их “системность” - функциональная полнота и
законченность реализуемых функций обработки, которые применяются в совокупности. Разработка и
сопровождение программ массового применения, как правило, сопряжены с большими трудозатратами
- исправление обнаруженных ошибок, создание новых версий программ и т.п.
Разработка программного продукта осуществляется на основе промышленной технологии
выполнения
проектных
работ
с
применением
современных
инструментальных
средств
программирования. Специфика заключается в уникальности процесса разработки алгоритмов и
программ, зависящего от характера обработки информации и используемых инструментальных
средств. На создание программных продуктов затрачиваются значительные ресурсы - трудовые,
материальные, финансовые; требуется высокая квалификация разработчиков.
Программные продукты требуют сопровождения, которое осуществляется, как правило,
специализированными фирмами-распространителями программ (дистрибьютерами, дилерами), реже фирмами-разработчиками.
Сопровождение программного продукта - поддержка работоспособности программного
продукта, переход на его новые версии, внесение изменений, исправление обнаруженных ошибок, и
т.п.
Программные продукты, в отличие от традиционных изделий, не имеют строго
регламентированного набора качественных характеристик, задаваемых при создании программ, либо
эти характеристики невозможно заранее точно указать или оценить, так как одни и те же функции
обработки, обеспечиваемые программным средством, имеют различную глубину проработки. Даже
время и затраты на разработку программных продуктов не могут быть определены с большой степенью
точности заранее.
Основными характеристиками программ являются:
−
алгоритмическая сложность (логика алгоритмов обработки информации),
−
состав и глубина проработки реализованных функций обработки,
−
полнота и системность функций обработки,
−
технические параметры:
−
объем файлов программ,
−
требования к операционной системе и техническим средствам обработки со стороны
программного средства: объем дисковой памяти, размер оперативной памяти для запуска программ,
тип процессора, версия операционной системы, наличие вычислительной сети и др.
Классификация программного обеспечения
Существует несколько подходов к классификации программного обеспечения.
Один из подходов основан на том, что между программами, как и между физическими
узлами и блоками существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на
5
другие программы более низкого уровня, то есть мы можем говорить о межпрограммном
интерфейсе. Возможность существования такого интерфейса тоже основана на
существовании технических условий и протоколов взаимодействия, а на практике он
обеспечивается
распределением
программного
обеспечения
на
несколько
взаимодействующих между собой уровней.
Уровни
программного
обеспечения
представляют
собой
пирамидальную
конструкцию, показанную на рисунке 2. Каждый следующий уровень опирается на
программное обеспечение предшествующих уровней. Такая классификация удобна для
всех этапов работы с вычислительной системой, начиная с установки программ до
практической эксплуатации технического обслуживания. Каждый вышележащий уровень
повышает функциональность всей системы в целом. Так, например, вычислительная
система с программным обеспечением базового уровня не способна выполнять
большинство функций, но позволяет установить системное программное обеспечение.
Прикладное программное обеспечение
Служебное программное обеспечение
Системное программное обеспечение
Базовое программное обеспечение
Рисунок 2 – Классификация современного ПО (вариант 2).
Базовый уровень программного обеспечения
Самый низкий уровень программного обеспечения представляет базовое
программное обеспечение. Оно отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными
средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в
состав базового оборудования, и хранится в специальных микросхемах, называемых
постоянным запоминающим устройством (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и
данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства или, в
случае необходимости в перепрограммируемых постоянных запоминающих устройствах
6
специальным способом, и не могут быть изменены в процессе работы вычислительной
системы.
Однако могут быть и другие подходы к классификации программных продуктов.
Например, предлагается классификация по сфере использования. Это классификация, в
которой
основополагающим
признаком
является
сфера
(область)
использования
программных продуктов:
−
аппаратная часть компьютеров и компьютерных сетей;
−
функциональные задачи информационных систем и технологий предметных
областей;
−
Для
технология разработки программ.
поддержки
информационной
технологии
в
этих
областях
выделим
соответственно три класса программных продуктов, представленных на рис.3:
Классы программных продуктов (по сфере использования)
Системное
программное
обеспечение
Прикладное
программное
обеспечение
Инструментарий
технологии
программирования
Рисунок 3 – Классификация программного обеспечения
−
−
−
системное программное обеспечение;
прикладное программное обеспечение;
инструментарий технологии программирования.
Как мы видим, разные подходы к классификации выделяют системное программное
обеспечение. Этому и будет посвящена следующая лекция.
Тенденции развития современных технических средств для реализации
информационных процессов
Современный компьютер
Сейчас трудно представить, но лет 10 назад наличие домашнего
компьютера считалось роскошью, а сейчас это вполне нормальное
закономерное явление, сейчас компьютер является необходимым предметом,
а для кого-то даже средством существования.
Возможности компьютера наиболее полно использует молодое
поколение, пожилые люди относятся к нему более негативно, но это вовсе не
означает, что они не пользуются его услугами. Проанализируем, как
используем компьютер в современной жизни.
Самое распространенное использование компьютера в быту – это
просмотр любимых фильмов и любимых телепередач, а подготовку
компьютерного сигнала обеспечивает нам компьютерная техника.
Вычислительная
техника
сейчас
отвечае
за
правильное
функционирование метро.
Работу в офисе невозможно представить без компьютера: набор
текстов, проведение расчетов, оформление бланков, заполнение ведомостей и
отчетов.
В магазине мы покупаем товары, которые созданы роботизированной
техникой, а упаковки и этикетки создаются на компьютере и печатаются на
специальных принтерах, кассир считывает их сканером.
Да и отдыхая вечером, общаемся с друзьями в сети Интернет.
Примеры
использования
современных
компьютеров
можно
продолжать и продолжать, однако, достаточно и этих простых примеров,
чтобы понять, что компьютер в жизни современного человека просто
незаменимый помощник во всех делах.
Компьютерная
сфера
всегда
была
прибыльна,
разработки
и
исследования не останавливались и не останавливаются ни на секунду.
1
Домашний настольный ПК перестает быть диковинкой для простого
потребителя.
Компьютер
постепенно
становится
обычным
бытовым
прибором, как стиральная машина или телевизор. Кроме этого, он начинает
совмещать в себе функции нескольких бытовых приборов: телевизора, радио,
DVD-плеера,
CD-плеера,
видеомагнитофона
и
т.п.
Сейчас
активно
продвигается концепция: компьютер – это бытовой прибор. Все это
повышает спрос на настольные ПК. А для постоянного подогревания
интереса потребителей необходимо всегда «радовать» их новинками.
Давайте попробуем оценить перспективы и направления развития
компьютерной техники. Для этого нам необходимо решить следующие
задачи.
Во-первых,
сделаем
попытку
обобщить
информацию
о
существующем положении дел на рынке компьютерной техники. Во-вторых,
проследим, какие появлялись новинки в последние пять лет. Ну, и в-третьих,
попробуем спрогнозировать разработки бущего.
Итак, немного истории. В 1971 году американская фирма Intel
объявила
о
создании
первого
микропроцессора
–
это
очередное
революционное событие в сфере электроники принято считать точкой
отсчета компьютеров четвертого поколения. Изначально микропроцессоры
использовались
в
различных
технических
устройствах
(автомобили,
самолеты). Они осуществляли автоматическое управление работой техники.
На базе микропроцессора был создан первый микроЭВМ, отличающийся от
своих предшественников меньшими габаритами и сравнительно дешевой
ценой. Это был первый тип компьютеров, появившийся в розничной
продаже.
Начало продажи столь известных персональных компьютеров связано
с именами Стива Джобса и Стива Возняка, основателями фирмы «Apple
Computer», которые вышли на рынок компьютерной техники в 1977 году с
персональными компьютерами "Apple". С 1982 года был выпущен
компьютер-эталон на долгое время - IBM PC (International Business Machines
Personal Computer). Фирма придерживалась принципа открытой архитектуры
2
и магистрально-модульного построения компьютера – за изготовителем
оставалась возможность установки своих комплектующих к компьютеру.
Внимание!
архитектура,
Открытая
допускающая
архитектура
сборку,
(open
architecture)
усовершенствование
и
—
ремонт
компьютера по его составным элементам — модулям. Построенный по
этому принципу компьютер не является единым неразъемным устройством,
а
состоит из
независимо изготовленных
частей, причем
методы
сопряжения устройств с компьютером не являются секретом фирмыпроизводителя, а доступны всем желающим. Открытые спецификации
архитектуры компьютера или периферийного устройства позволяют
сторонним производителям разрабатывать дополнительные устройства к
системам с открытой архитектурой.
Магистрально-модульная архитектура. Модульная организация
компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена
информацией
между
устройствами.
Магистраль
(системная
шина)
включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и
шину управления, которые представляют собой многопроводные линии. К
магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также
периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые
обмениваются информацией на машинном языке.
Машинный язык - последовательность нулей и единиц в форме
электрических импульсов.
Помимо развития компьютеров для розничной продажи активно
развивали линию – суперЭВМ. Это машины с быстродействием в сотни
миллионов и миллиардов операций в секунду. Первой суперЭВМ четвертого
поколения была американская машина ILLIAK-4, а также отечественная
машина – многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС.
Развитие суперЭВМ происходило путем увеличения числа процессоров и их
быстродействия. Это направление используется и в компьютерах для
розничной
торговли
до
сих
пор.
Современные
многопроцессорные
3
вычислительные комплексы включают в себя десятки тысяч процессоров. Их
быстродействие исчисляется сотнями миллиардов операций в секунду.
Однако, вернемся к современным компьютерам. В первую очередь
они превосходят все предыдущие поколения своей компактностью, а также
множеством возможностей для различных категорий потребителей. Кроме
того, это достаточно доступное устройство. Давайте еще раз проанализируем
основные
технические
характеристики
современного
персонального
компьютера. В первую очередь, это процессор, основными параметрами
которого являются: быстродействие, которое зависит в первую очередь от
тактовой частоты; разрядность. Далее объем оперативной и внешней памяти,
к тому же важным параметром является скорость доступа к данным.
Важнейшей частью современного компьютера является и видеоподсистема.
Следует также учитывать средства ввода-вывода, средства коммуникации и
многое другое.
Каждый
современный
компьютер
в
настоящее
время
сугубо
индивидуален, все зависит от задач, которые ставит пользователь, его
возможностей и предпочтений. Достаточно сказать, что модернизацию
(upgrade) для повышения производительности ПК вполне можно провести:
увеличить тактовую частоту; объем кэш-памяти; пропускную способность
системной шины и локальной шины; объем ОЗУ и его быстродействие;
увеличить быстродействие накопителя жестких магнитных дисков; объем
памяти видеоадаптера и его пропускная способность; увеличить пропускную
способность мультикарты, содержащей адаптеры дисковых интерфейсов и
поддерживающей
последовательные
и
параллельный
порты
для
подключения и т.д.
Рассмотрим некоторые современные модели. Ну, во-первых, это
небольшой
экономичный
недорогой
персональный
компьютер,
предназначенный для работы с Интернет-приложениями. Так называемый,
NetTop (неттоп). Он идеально подойдет для общения, просмотра интернетресурсов или публикации цифровых фотографий в глобальной сети. В
4
качестве основы используются процессоры с энергетически эффективными
микроархитектурами,
производительности и
предлагающими
выгодное
энергопотребления. Вычислительной
сочетание
мощности
такого компьютера, помимо работы в сети Интернет и с различными
сетевыми
сервисами,
обычно
хватает
для
прослушивания
музыки,
любительской работы с фотографиями, для просмотра видео стандартного
разрешения и нетребовательных игр. Среди этой группы компьютеров
выделяют, так называемый, Barebone (баребон). Это урезанная версия ПК,
которая представляет собой промежуточный вариант между приставкой и
компьютером. Электронные компоненты баребонов частично или совсем не
подлежат замене. Графический ускоритель в них отсутствует, может быть
представлена упрощенная его мультимедиа версия, позволяющая только
просматривать видео, без поддержки трёхмерной графики. Все электронные
компоненты объединены в одной плате. Главным достоинством является
хорошее охлаждение, а следовательно бесшумность.
Компоненты стандартного ПК всем известны: системный блок под
столом или там, где удобнее его владельцу, монитор перед глазами, мышка с
клавиатурой под рукой. Экономия места привела к объединению системного
блока и монитора в одном. Сейчас почти все крупнейшие марки предлагают
покупателю такой вариант. Современные компьютеры, которые условно
называют моноблоки, можно разделить на три основные группы.
Во-первых, самые дешевые модели компьютеров «все в одном». Чаще
всего они построены на платформе Intel Atom, а по производительности не
превосходят неттоп. Даже мощный компьютер на базе двухъядерного
процессора Atom подойдет только для использования дома или в офисе,
причем при загрузке трехмерных игр придется столкнуться с жесткими
ограничениями. Такие моноблоки обычно оснащаются экранами размером до
20 дюмов.
Во-вторых,
классические
модели
на
базе
мобильных
версий
процессоров Intel, включая новейшую линейку Core i3/i5/i7. Они обычно
5
снабжаются довольно мощной дискретной видеокартой, благодаря которой
запускаются и воспроизводятся 3D-игры. Размер экранов может превышать
24 дюйма, кроме того, дисплеи поддерживают технологию сенсорного
управления Multitouch.
В-третьих, моноблоки Apple семейства iMac. Они используют
собственную операционную систему Mac OS, которая не поддерживает
программы, разработанные под семейства Windows. Это заметно сужает
область их использования. Однако модели от Apple очень эргономичны, а
дизайн всегда был сильной стороной разработчиков «яблочной» компании.
Неоспоримое достоинство моноблоков – компактность. Объединение
системного блока и монитора в одном корпусе позволяет уменьшить размеры
компьютера до габаритов обычного ЖК-экрана. Моноблоки работают
гораздо тише, чем большинство ПК. Объясняется это просто: в системах «все
в одном» в качестве аппаратной основы используется платформа ноутбуков с
невысоким уровнем шума. Еще одно преимущество моноблоков – сенсорное
управление с экрана и отсутствие кабелей для подключения монитора.
Недостатком моноблоков, безусловно, является производительность.
Даже у самых мощных моноблоков она существенно ниже, чем у лучших
представителей настольных компьютеров, и вряд ли эта ситуация коренным
образом изменится. К тому же моноблоки дороже, чем аналогичные по
характеристикам пары, состоящие из системного блока и монитора. Причем
чем выше класс компонентов, тем больше разница в цене между моноблоком
и
настольным
компьютером.
Наконец,
очень
серьезный
недостаток
моноблоков – непригодность к апгрейду. У пользователя нет возможности
самостоятельной
модернизации
ключевых
элементов
конструкции:
центрального процессора, видеокарты и модулей оперативной памяти.
Стоит обратить внимание на такую модель современного компьютера,
как смартбук. Смартбук — небольшой ноутбук, построенный на аппаратной
платформе того же класса, которая используется для смартфонов и интернетпланшетов. Ключевая особенность — архитектура процессора. В нетбуках и
6
ноутбуках применяются процессоры семейства x86или его потомка x86-64, в
смартбуках почти всегда процессоры семейства ARM, также встречаются
машины на процессоре MIPS, в основном на рынке Китая. Для процессоров
одинаковой производительности ARM оказывается значительно экономичнее
в сравнении с x86. Проще говоря, смартбук – это портативный
миникомпьютер, соединяющий в себе смартфон и ноутбук. Его основными
функциями являются выход в интернет и работа с офисными приложениями.
Основным предназначением смартбуков является то, что с их помощью
пользователь может практически всегда оставаться онлайн, так как данные
устройства в обязательном порядке снабжены модулем беспроводной связи
3G или WiMAX. Поэтому с помощью этих гаджетов можно оперативно
выполнять работу или постоянно находиться на связи со своими онлайндрузьями. Процессорные возможности позволяют смартбуку воспроизводить
флэш-анимацию и даже видео в высоком разрешении и поддерживать работу
с такими пакетами ПО, как Microsoft Office и Adobe.
Смартбук - перспективное устройство, так как его функциональность
намного шире, чем у нетбука, а стоимость заметно ниже.
Обратим внимание еще на модель субноутбуки. Это компьютер,
обладающий маленьким размером и весом и большинством характерных черт
обычного ноутбука. Обычно поставляется в комплекте с ОС на базе Linux
или с Windows. Обычно субноутбуки оснащены маленьким дисплеем от 7 до
13.3 дюймов и весят 1-2 килограмма. Вследствие малых размеров обычно
имеют малое количество внешних портов и не имеют DVD-привода.
Преимущества субноутбуков – малые габариты и вес. Их легко
переносить: некоторые субноутбуки помещаются даже в женские сумочки
средних размеров. Субноутбуки позволяют работать в любых условиях, и
легко выдерживают постоянные перемещения.
Недостатки – следствия компактности таких ультрапортативных
моделей. Далеко не рекордная мощность подобных компьютеров вряд ли
позволит владельцу насладиться современными трехмерными играми и
7
комфортно работать в ресурсоемких приложениях (программы для работы с
двухмерной
и
Разработчики
трехмерной
графикой,
нелинейного
снабжают
«малышей»
не
комплектующими,
чтобы
избежать
перегрева.
видеомонтажа).
слишком
мощными
Впрочем,
мощности
субноутбуков вполне достаточно для работы с офисными приложениями.
Также следует учесть, что для обеспечения компактности за основу
субноутбуков
берется
интегрированных
материнская
устройств
–
плата
включая
с
и
максимальным
видеокарту.
числом
Встроенный
видеоадаптер справляется с выводом двухмерной графики, однако, для
обработки трехмерной его производительности явно недостаточно. У
подобных видеокарт отсутствует встроенная память, вместо нее используется
системная, что также негативно сказывается на общей производительности.
Помимо вычислительной мощности, субноутбукам свойственны и
проблемы с эргономикой – под дисплеем диагональю 9 дюймов сложно
разместить большую клавиатуру, и зачастую пользователю приходится
довольствоваться совсем миниатюрными клавишами. Однако, маленький
размер может стать большой проблемой для людей с плохим зрением –
разглядеть мелкие буквы на нем зачастую бывает непросто.
Средняя цена на субноутбуки значительно превышает стоимость
обыкновенных ноутбуков, поэтому не каждый человек может приобрести это
чудо мобильного компьютеростроения. Однако, несмотря на все недостатки,
субноутбуки имеют много поклонников.
Компьютерные разработки будущего .
Следует обратить внимание на оптический компьютер.
Это
компьютер,
основанный
на
использовании
оптических
процессоров. В отличие от обычных компьютеров, основанных на
электронных
технологиях,
в
оптических
компьютерах
операции
выполняются путём манипуляции потоками оптического излучения, что
позволяет достичь большей производительности вычислений. Оптические
8
технологии позволяют получить следующие преимущества по сравнению с
современными моделями. Их использование позволит принципиально
повысить производительность, даст уменьшение размеров элементов схем и
снизит потребляемую мощность.
Самый впечатляющий элемент оптического компьютера – это
голографический экран. В отличие от современных электронно-лучевого или
жидкокристаллического экранов, голографический экран может иметь
произвольный размер, например, во всю стену. Он может быть плоским или
объемным. Несмотря на то, что многие принципиальные вопросы на пути
создания оптических компьютеров уже решены, построение мощного
законченного работоспособного оптического компьютера все еще остается
трудной технической проблемой, неразрешимой при нынешнем уровне науки
и техники. Оптический компьютер размером с ноутбук даст обычному
пользователю возможность разместить в нем едва ли не всю информацию о
мире, при этом компьютер сможет решать задачи любой сложности, в том
числе такие, с которыми сегодня едва справляются мощные серверы.
Оптический компьютер – это новая цифровая компьютерная система
для обработки двоичных данных. Такой подход дает возможность в
краткосрочной перспективе разработать технологии для коммерческого
применения, поскольку оптические компоненты могут быть внедрены в
стандартные
компьютеры,
сначала
создавая
гибридные
системы,
а
впоследствии и полностью фотонные. Однако опто-электронные приборы
теряют 30 % энергии на конвертацию электронов в фотоны и обратно. Это
также замедляет передачу информации в опто-электронных повторителях. В
полностью оптическом компьютере надобность преобразования сигнала из
оптического в электронный и обратно полностью исчезнет.
Фундаментальным компонентом электронных компьютеров является
управляемый электронный переключатель, которым чаще всего выступает
транзистор. Для замены электронной логики оптической при одновременном
сохранении
существующей
концептуальной
логической
схемотехники
9
потребуется реализовать оптический транзистор (англ.) русск. Один из
возможных вариантов — использование материалов, которым свойственны
некоторые
эффекты
коэффициент
нелинейной
преломления.
оптики,
Уже
в
найдены
частности,
нелинейный
материалы
в
которых
интенсивность входящего света влияет на интенсивность света, проходящего
через элемент, что сравнивают с вольт-амперной характеристикой (ВАХ)
электронного транзистора. Подобные «оптические транзисторы» могли бы
использоваться для создания оптических логических вентилей, из которых
собирались бы
более
сложные
блоки
процессора. Однако, многие
нелинейные эффекты требуют сверхбольших интенсивностей управляющих
сигналов.
Важнейшим направлением является разработка нейрокомпьютера.
Нейрокомпьютинг
разработкой
это
научное
направление,
вычислительных
систем
шестого
–
занимающееся
поколения
-
нейрокомпьютеров, которые состоят из большого числа параллельно
работающих простых вычислительных элементов (нейронов). Элементы
связаны
между
единообразные
собой,
образуя
вычислительные
нейронную
действия
и
сеть.
Они
выполняют
не
требуют
внешнего
управления. Большое число параллельно работающих вычислительных
элементов обеспечивают высокое быстродействие. В настоящее время
разработка
нейрокомпьютеров
ведется
в
большинстве
промышленно
развитых стран. Нейрокомпьютеры позволяют с высокой эффективностью
решать целый ряд интеллектуальных задач. Это задачи распознавания
образов, адаптивного управления, прогнозирования, диагностики и т.д.
Нейрокомпьютеры отличаются от ЭВМ предыдущих поколений не просто
большими возможностями. Принципиально меняется способ использования
машины. Место программирования занимает обучение, нейрокомпьютер
учится решать задачи.
Рассмотрим
подробнее
отличия
нейрокомпьютеров
от
вычислительных устройств предыдущих поколений.
10
1.
Параллельная
работа
очень
большого
числа
простых
вычислительных устройств обеспечивает огромное быстродействие.
2.
Нейронная сеть способна к обучению, которое осуществляется
путем настройки параметров сети.
3.
Высокая помехо - и отказоустойчивость нейронных сетей.
4.
Простое строение отдельных нейронов позволяет использовать
новые физические принципы обработки информации для аппаратных
реализаций нейронных сетей.
Разработки в области нейрокомпьютинга ведутся по следующим
направлениям:
−
разработка нейроалгоритмов;
−
создание специализированного программного обеспечения для
моделирования нейронных сетей;
−
разработка
специализированных
процессорных
плат
для
имитации нейросетей;
−
электронные реализации нейронных сетей;
−
оптоэлектронные реализации нейронных сетей.
Обратим внимание также на молекулярные компьютеры.
Молекулярный компьютер – это устройство, в котором вместо
кремниевых чипов, применяемых в современных компьютерах, работают
молекулы и молекулярные ансамбли. В основе новой технологической эры
лежат так называемые «интеллектуальные молекулы». Такие молекулы (или
молекулярные ансамбли) могут существовать в двух термодинамически
устойчивых состояниях, каждое из которых имеет свои физические и
химические свойства. Переводить молекулу из одного состояния в другое
(переключать) можно с помощью света, тепла, химических агентов,
электрического и магнитного поля и т.д. Фактически такие переключаемые
бистабильные молекулы — это наноразмерная двухбитовая система,
11
воспроизводящая
на
молекулярном
уровне
функцию
классического
транзистора.
Недавно компания Hewlett Packard объявила о первых успехах в
изготовлении компонентов, из которых могут быть построены мощные
молекулярные компьютеры. Ученые из НР и Калифорнийского университета
в Лос-Анджелесе объявили о том, что им удалось заставить молекулы
ротаксана переходить из одного состояния в другое - по существу, это
означает создание молекулярного элемента памяти.
Следующим шагом должно стать изготовление логических ключей,
способных выполнять функции И, ИЛИ и НЕ. Весь такой компьютер может
состоять из слоя проводников, проложенных в одном направлении, слоя
молекул ротаксана и слоя проводников, направленных в обратную сторону.
Конфигурация компонентов, состоящих из необходимого числа ячеек памяти
и логических ключей, создается электронным способом. По оценкам ученых
НР, подобный компьютер будет в 100 млрд. раз экономичнее современных
микропроцессоров, занимая во много раз меньше места.
Сама идея этих логических элементов не является революционной:
кремниевые микросхемы содержат миллиарды точно таких же. Но
преимущества в потребляемой энергии и размерах способны сделать
компьютеры вездесущими. Молекулярный компьютер размером с песчинку
может содержать миллиарды молекул. А если научиться делать компьютеры
не трехслойными, а трехмерными, преодолев ограничения процесса плоской
литографии, применяемого для изготовления микропроцессоров сегодня,
преимущества станут еще больше. Первые опыты с молекулярными
устройствами еще не гарантируют появления таких компьютеров, однако
массовое производство действующего молекулярного компьютера вполне
может начаться.
Следующая модель будущего – ДНК-компьютер.
Молекулярный вычислительный автомат, работающий на основе
молекул ДНК, способен к обучению и успешно позволяет реализовывать
12
стратегию логических игр. Это устройство может применяться при поиске
генетических нарушений и лечении болезней, которые они вызывают. ДНКкомпьютер можно перепрограммировать на другую стратегию, которую он
также начинает успешно применять. Важность этой работы, по словам
ученых, состоит в возможности создания молекулярной системы, которая
будет способна выполнять принципиально разные задачи, обучение и
дальнейший анализ ситуации с принятием решения. Эти молекулярные
автоматы
можно
рассматривать
как
модельные
системы,
имеющие
практическое применение, прежде всего в биологии. Основанные на
молекулах
нуклеиновых
кислот
логические
элементы
являются
биосовместимыми, а потому могут быть использованы как для диагностики,
так и для терапии различных генетических заболеваний.
Интересное направление в разработке современных компьютеров –
квантовый компьютер.
Это проект компьютера, использующего для вычислений принципы
квантовой теории. Теоретически квантовые компьютеры способны решать
переборные задачи за время прямо пропорциональное сложности задачи.
Прежде всего, делается упор на то, что при наличии подходящих
технологий квантовые компьютеры будут производить расчеты намного
быстрее, чем обычные, за меньшее число операций. С другой стороны,
подобное устройство можно использовать в криптографии, что дает ряд
преимуществ,
сообщение.
в
частности,
Основным
невозможность
элементом
квантового
незаметно
перехватить
компьютера
являются
квантовые биты или кубиты. Кубит – это квантовая система с двумя
состояниями, но в отличие от привычного бита кроме двух определенных
состояний она может находиться в их суперпозиции, т.е. в ней одновременно
записаны 0 и 1 с некоторыми вероятностями.
Квантовый компьютер – это система, собранная из кубитов, которая
подчиняется законам квантовой механики. Показано, что из кубитов можно
составить и элементарные логические элементы. Основное принципиальное
13
достоинство квантовых компьютеров – быстродействие, обусловленное
параллельностью вычислений. Предполагается, что квантовые компьютеры
смогут решать такие задачи, как разложение целых чисел на простые
множители, поиск в базе данных или моделирование квантовых систем (с
большим количеством частиц), что весьма важно для химии, физики и
молекулярной биологии.
Нельзя также не упомянуть нанокомпьютер — вычислительное
устройство
на
основе
электронных
(механических,
квантовых)
технологий
с размерами
логических
биохимических,
элементов порядка
нескольких нанометров. Сам компьютер, разрабатываемый на основе
нанотехнологий, также имеет микроскопические размеры. Ученые считают,
что на этом принципе когда-нибудь будет создан настоящий искусственный
интеллект, способный к самопознанию и саморазвитию. Компьютер
представляет собой собранные на золотой пластине 16 молекул дурохинона,
каждая из которых имеет форму зубчатого колеса с четырьмя выступающими
спицами. Семнадцатая молекула, выполняющая функцию подачи команд,
находится в центре. Молекулы соединены водородными связями (вид
сравнительно слабых химических связей). Каждый поворот центральной
молекулы приводит ее в новое состояние, что эквивалентно логическим
уровням 0, 1, 2 и 3. Таким образом, нанокомпьютер способен обрабатывать за
одно действие 4 в 16-й степени бит информации. Притом что современные
компьютеры могут обрабатывать за раз не более одного бита. Иное дело, что
делают они это очень быстро, совершая миллионы операций в секунду. Для
управления
компьютером
используется
специальный
туннельный
сканирующий микроскоп, который одновременно является и считывающим
устройством.
Считается,
что
способность
совершать
параллельные
вычисления присуща нейронным системам, например человеческому мозгу.
Поскольку каждая из молекул способна принимать четыре состояния, число
возможных комбинаций будет при этом достигать фантастической цифры 4 в
1024-й – это больше 1000 нулей после запятой! О компьютерах с такой
14
разрядностью, созданных без применения нанотехнологий, невозможно даже
помыслить.
Итак, подведем итог. Компьютерные технологии не стоят на месте. На
данный
момент
создано
множество
видом
компьютерной
техники,
призванной упростить работу пользователя, сделать взаимодействие с
компьютером более удобным и комфортным. Чего только не придумывают
разработчики в борьбе за покупателей: монолитный системно-мониторный
блок (моноблок), упрощенную версию «настольного» нетбука – неттоп,
специальный офисный вариант с упрощенными комплектующими – баребон,
вариант сочетания мобильности и компактности – смартбук, переходный
вариант от нетбука к ноутбук – субноутбук. Но, все это повседневность.
Самое главное и интересное ждет нас впереди. Основные научные
разработки сейчас проводятся в сферах, которые могут принести не только
много денег производителям, но и реально помочь всему человечеству. Это и
молекулярные и ДНК-компьютеры, которые должны помочь человеку в
борьбе за жизнь, нейрокомпьютеры и квантовые обеспечивают проведение
сложнейших вычислений в считанные секунды, что позволит применять их в
исследованиях в области химии, физики, астрономии. Ну, а для простого
потребителя продолжается разработка и усовершенствование оптических
компьютеров
–
удобство
в
одном
флаконе
с
качеством
и
многофункциональностью.
Компьютерная техника развивается с сумасшедшей скоростью и
иногда очень сложно уследить или идти с ней в ногу. Но можно сказать с
полной уверенностью, что высокие технологии – это наше будущее и это
успех всего человечества.
15
Монитор и клавиатура
Видеоподсистема
Изучив материал, студент должен знать:

разновидности устройств ввода/вывода;

назначение устройств ввода/вывода и их основные характеристики.
Изучив материал, студент должен уметь:

применять устройства для ввода/вывода информации различноговида..
Видеоподсистема
-
Видеосистема
ПК
включает
монитор
и
видеоадаптер.
Видеоадаптер - дочерняя плата, обеспечивающая формирование и
вывод изображения на экран монитора.
Монитор
(дисплей,
терминал)
–
это
устройство
визуального
отображения данных, с помощью которого производится контроль ввода и
обработки информации, а также управление работой программ. Монитор
устройство,
обеспечивающее
вывод
динамически
обновляемого
изображения.
По технологии изготовления можно выделить следующие виды
мониторов - это CRT (Cathode Ray Tube) мониторы. В основе этих мониторов
лежит электронно-лучевая трубка (ЭЛТ). В настоящее время эти мониторы
уже не выпускают.
LCD (Liquid Crystal Display, жидкокристаллические мониторы)
сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом
обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам.
Экран LCD – монитора представляет собой две прозрачные пластины с
тонким слоем жидких кристаллов между ними. Внешний вид монитора LCD
показан на рисунке 1.
1
Рисунок 1 – Монитор LCD.
При
появлении
электрического
поля
свет,
проходящий
через
жидкокристаллическую панель или отражающийся от нее, меняет плоскость
поляризации. Для того чтобы человеческий глаз мог различать изменения в
поляризации светового потока, добавляются два поляризационных фильтра.
Экран разделен на отдельные элементы (ячейки), к которым подведены
электроды,
создающие
электрическое
поле.
Для
вывода
цветного
изображения необходима подсветка монитора сзади так, чтобы свет
порождался в задней части LCD – дисплея. Это необходимо для того, чтобы
можно было наблюдать изображение с хорошим качеством, даже если
окружающая среда не является светлой. Цвет получается в результате
использования трех фильтров, которые выделяют из излучения источника
белого света три основных компонента. Комбинируя три основных цвета для
каждой точки или пиксела экрана, можно воспроизвести любой цвет.
Первые LCD-дисплеи были очень маленькими, около 8”, в то время как
сегодня они достигли размеров 15” для использования в ноутбуках, а для
настольных компьютеров производятся 19” и более LCD – мониторы. Вслед
за увеличением размеров следует увеличение разрешения, вследствие чего
появляются новые проблемы, требующие своего решения с помощью
специальных технологий.
Технология
STN
(Super
Twisted
Nematic)
позволяет
увеличить
торсионный угол (угол кручения) ориентации кристаллов внутри LCD –
дисплея с 900 до 2700, что обеспечивает лучшую контрастность изображения
при увеличении размеров монитора. Часто STN – ячейки используются в
паре. Это называется технологией DSTN (Double Super Twisted Nematic), и
этот метод очень популярен для мониторов портативных компьютеров,
использующих дисплеи с пассивной матрицей, где обеспечивает улучшение
контрастности при отображении изображений в цвете. Две STN – ячейки
располагаются вместе так, чтобы при вращении они двигались в разных
направлениях. Изображение формируется строка за строкой
путем
2
последовательного
напряжения,
подведения
делающего
их
на
отдельные
прозрачными.
ячейки
Из-за
управляющего
довольно
большой
электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться
достаточно быстро, поэтому обновление картинки происходит медленно,
изображение дрожит на экране. Маленькая скорость изменения прозрачности
кристаллов не позволяет правильно отображать движущиеся изображения.
Кроме того, между соседними электродами возникает некоторое взаимное
влияние, которое может проявляться в виде колец на экране. Для решения
части названных проблем применяют специальные хитрости, например
разделение экрана на две части и применение двойного сканирования в одно
и то же время обеих частей, в результате чего экран дважды регенерируется и
изображение не дрожит и плавно отображается.
Также лучших результатов с точки зрения стабильности, качества,
разрешения, гладкости и яркости изображения можно добиться, используя
экраны с активной матрицей (active matrix). В активной матрице
используются отдельные усилительные элементы для каждой ячейки экрана,
компенсирующие влияние емкости ячеек и позволяющие значительно
уменьшить время изменения их прозрачности. Активная матрица имеет
лучшую яркость и возможность смотреть на экран даже с отклонением до 450
и более, (то есть при угле обзора 1200-1400) без ущерба для качества
изображения, что невозможно в случае с пассивной матрицей. При помощи
активной матрицы можно отображать движущиеся изображения без
видимого дрожания, так как время реакции дисплея с активной матрицей
около 50 мкс против 300 мкс для пассивной матрицы и качество
контрастности лучше, чем у CRT – мониторов. Яркость отдельного элемента
экрана остается неизменной на всем интервале времени между обновлениями
картинки, а не представляет собой короткий импульс света, излучаемый
элементом люминофора CRT – монитора сразу после прохождения по этому
элементу электронного луча. Именно поэтому для LCD – мониторов
достаточной является частота регенерации 60Гц. Благодаря лучшему
3
качеству изображений эта технология также используется и в мониторах для
настольных компьютеров.
Функциональные возможности LCD – мониторов с активной матрицей
почти такие же, как у дисплеев с пассивной матрицей. Разница заключается в
матрице электродов, которая управляет ячейками жидких кристаллов
дисплея. В случае с пассивной матрицей разные электроды получают
электрический заряд циклическим методом при построчной регенерации
дисплея, а в результате разряда емкостей элементов изображение исчезает,
так как кристаллы возвращаются к своей изначальной конфигурации. В
случае с активной матрицей к каждому электроду добавлен запоминающий
транзистор, который может хранить цифровую информацию (двоичные
значения 0 или 1), и в результате изображение сохраняется до тех пор, пока
не
поступит
другой
сигнал.
Запоминающие
транзисторы
должны
производиться из прозрачных материалов, что позволит световому лучу
проходить сквозь них, а значит, транзисторы можно располагать на тыльной
части дисплея, на стеклянной панели, которая содержит жидкие кристаллы.
Для этих целей используется пластиковая пленка, называемая Thin Film
Transistor (или просто TFT). Ее толщина в пределах от 1/10 до 1/100 мкм.
Технология создания TFT очень сложна, при этом имеются трудности с
достижением приемлемого процента годных изделий из-за того, что число
используемых транзисторов очень высоко.
Разрешение LCD – мониторов одно, и его еще называют native, оно
соответствует максимальному физическому разрешению CRT – мониторов.
Это разрешение определяется размером пикселов, который у LCD –
монитора фиксирован. LCD – монитор лучше всего воспроизводит
изображение именно с таким разрешением. При этом есть возможность
выводить на экран изображение с меньшим, чем native, разрешением. Для
этого есть два способа. Первый называется центрированием, когда для
отображения изображения используется только то количество пикселов,
которое необходимо для формирования изображения с более низким
4
разрешением. В результате изображение получается не во весь экран, а
только в середине. Все неиспользуемые пикселы остаются черными, то есть
вокруг изображения образуется черная рамка. Второй метод называется
растяжением. Суть его в том, что при воспроизведении изображения с более
низким, чем native разрешением используются все пикселы, то есть
изображение занимает весь экран. Однако из-за того, что изображение
растягивается на весь экран, возникают небольшие искажения и ухудшается
резкость.
Стоит отметить и такую особенность части LCD – мониторов, как
возможность
поворота
самого
экрана
на
900
с
одновременным
автоматическим разворотом изображения. В результате, например, если вы
занимаетесь версткой, то теперь лист формата А4 можно полностью
уместить
на
экране
без необходимости
использовать
вертикальную
прокрутку, чтобы увидеть весь текст на странице. Эта функция становится
почти стандартной.
К преимуществам LCD – мониторов можно отнести то, что они
действительно плоски в буквальном смысле этого слова, а создаваемое на их
экранах изображение отличается четкостью и насыщенностью цветов.
Отсутствуют искажения на экране и масса других проблем, свойственных
традиционным CRT – мониторам. Добавим, что потребляемая и рассеиваемая
мощность у LCD – мониторов существенно ниже, чем у CRT - мониторов.
При
производстве
мониторов
используются
и
другие,
более
Display
Panels).
Работа
экзотические на данный момент технологии.
Плазменные
мониторы
PDP
(plasma
плазменных мониторов очень похожа на работу неоновых ламп, которые
сделаны в виде трубки, заполненной инертным газом низкого давления.
Внешний вид монитора PDP показан на рисунке 2.
5
Рисунок 2 – Монитор PDP
Внутрь трубки помещена пара электродов, между которыми зажигается
электрический разряд и возникает свечение. Плазменные экраны создаются
путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями
инертным газом, например аргоном или неоном. Затем на стеклянную
поверхность помещают маленькие прозрачные электроды, на которые
подается высокочастотное напряжение. Под действием этого напряжения в
прилегающей к электроду газовой области возникает электрический разряд.
Плазма газового разряда излучает свет в ультрафиолетовом диапазоне,
который вызывает свечение частиц люминофора в диапазоне видимом
человеком. Фактически, каждый пиксел на экране работает, как обычная
флуоресцентная лампа (лампа дневного света). Высокая яркость и
контрастность
наряду
с
отсутствием
дрожания
являются
большим
преимуществом таких мониторов.
Технология FED (Field Emission Display). Мониторы FED основаны на
процессе, который немного похож на тот, что применяется в CRT –
мониторах, так как в обоих методах применяется люминофор, светящийся
под воздействием электронного луча. Внешний вид мониторов FED показан
на рисунке 3.
В FED – мониторе используется множество маленьких источников
электронов, расположенных за каждым элементом экрана, и все они
размещаются в пространстве по глубине меньшей, чем требуется для CRT.
Каждый
источник
электронов
управляется
отдельным
электронным
элементом, так же как это происходит в LCD – мониторах, и каждый пиксел
затем излучает свет благодаря воздействию электронов на люминофорные
6
элементы, как и в традиционных CRT- мониторах. При этом FED – мониторы
очень тонкие.
Рисунок 3 – Монитор FED
Видеоконтроллер (видеоадаптер, видеоплата, видеокарта) - это
устройство,
управляющее
выводом
информации
на
монитор,
обеспечивающее взаимодействие процессора с монитором и реализующее
тот или иной режим разрешения и цветности. Характеристики подсистемы
зависят как от параметров монитора, так и от установленного в компьютере
видеоадаптера.
Представляет
собой
либо
отдельное
устройство,
сконструированное в виде отдельной платы расширения, либо может быть
встроено в системную материнскую плату у современных компьютеров.
Недостатком встроенной видеокарты является то, что не подлежит апгрейту
(улучшению ее параметров в процессе работы).
Графический
сопроцессор
-
это
составная
часть
видеоплаты,
самостоятельно строящая изображения на экране монитора и работающая
параллельно с центральным процессором. Большая часть изображений
строится из простейших стандартных элементов - прямая, прямоугольник,
эллипс, круг и т.д. Выполняя эти операции специальным процессором, мы
увеличиваем производительность вычислительной системы в целом.
Для их рисования созданы специальные сопроцессоры. Они также
необходимы при работе с трёхмерной графикой, анимацией и для реализации
виртуальной реальности.
Видеоускоритель, обычно входит в состав видеокарты, поэтому замена
его на более мощный дело дорогое. Если вы планируете заниматься
графикой, сразу покупайте хорошую видеокарту.
7
Клавиатура
Клавиатура – клавишное устройство управления персональным
компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных, а
также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры обеспечивает
простейший интерфейс пользователя. С помощью клавиатуры управляют
компьютерной системой, а с помощью монитора получают от нее отклик.
Принцип действия клавиатуры
Клавиатура относится к стандартным средствам персонального
компьютера.
специальными
Ее
основные
системными
функции
не
нуждаются
в
поддержке
программами
(драйверами).
Необходимое
программное обеспечение для начала работы с компьютером уже имеется в
микросхеме ПЗУ в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS), и поэтому
компьютер реагирует на нажатие клавиш сразу после включения.
Принцип действия клавиатуры заключается в следующем:
−
при нажатии на клавишу (или комбинацию клавиш)
специальная микросхема, встроенная в клавиатуру, выдает так называемый
скан-код;
−
скан-код поступает в микросхему, выполняющую функции
порта клавиатуры (порты – специальные аппаратно-логические устройства,
отвечающие за связь процессора с другими устройствами), эта микросхема
находится на материнской плате внутри системного блока;
−
порт
клавиатуры
выдает
процессору
прерывание
с
фиксированным номером (для клавиатуры номер прерывания 9);
−
получив
прерывание,
процессор
откладывает
текущую
работу и по номеру прерывания обращается в специальную область
оперативной памяти, в которой находится так называемый вектор
прерываний. Вектор прерываний – это список адресных данных с
фиксированной длиной записи. Каждая запись содержит адрес программы,
8
которая должна обслужить прерывание с номером, совпадающим с номером
записи;
−
определив
адрес
начала
программы,
обрабатывающей
возникшее прерывание, процессор переходит к ее исполнению. Простейшая
программа обработки клавиатурного прерывания «зашита» в микросхему
ПЗУ, но программисты могут «подставить» вместо нее свою программу, если
изменят данные в векторе прерываний;
−
программа-обработчик прерывания направляет процессор к
порту клавиатуры, где он находит скан-код, загружает его в свои регистры,
потом под управлением обработчика определяет, какой код символа
соответствует данному скан-коду;
−
далее обработчик прерываний отправляет полученный код
символа в небольшую область памяти, известную как буфер клавиатуры, и
прекращает свою работу, известив об этом процессор;
−
процессор прекращает обработку прерывания и возвращается
к отложенной задаче;
−
введенный символ хранится в буфере до тех пор, пока его не
заберет оттуда та программа, для которой он и предназначался, например
текстовый редактор или текстовый процессор. Если символы поступают в
буфер чаще, чем забираются оттуда, наступает эффект переполнения буфера.
В этом случае ввод новых символов на некоторое время прекращается. На
практике
в
этот
момент
при
нажатии
на
клавишу
мы
слышим
предупреждающий звуковой сигнал и не наблюдаем ввода данных.
Состав клавиатуры
Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш (101-102; 104-105 и
др.), функционально распределенных по нескольким группам.
Группа алфавитно-цифровых клавиш предназначена для ввода
знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Каждая клавиша
может работать в нескольких режимах (регистрах) и, соответственно может
9
использоваться для ввода нескольких символов. Для разных языков
существуют
различные
схемы
закрепления
символов
национальных
алфавитов за конкретными алфавитно-цифровым клавишами. Такие схемы
называются раскладками клавиатуры.
Группа функциональных клавиш включает 12 клавиш (отF1 до F12),
размещенных в верхней части клавиатуры. Функции, закрепленные за
данными клавишами, зависят от свойств конкретной работающей в данный
момент программы, а в некоторых случаях и от свойств операционной
системы.
Служебные клавиши располагаются рядом с клавишами алфавитноцифровой группы. В связи с тем, что ими приходится пользоваться особенно
часто, они имеют увеличенный размер. К ним относятся клавиши SHIFT и
ENTER, регистровые клавиши ALT и CTRL (их используют в комбинации с
другими клавишами для формирования команд), клавиши ESC, Служебные
клавиши PRINT SCREEN (печать текущего состояния экрана на принтере),
SCROLL LOCK (переключение режима работы в некоторых устаревших
программах)
и
PAUSE/BREAK
(приостановка/прерывание
текущего
процесса) размещаются справа от группы функциональных клавиш.
Клавиши управления курсором, расположены справа от алфавитноцифровых клавиш и разбиты на две группы. Клавиши со стрелками
выполняют смещение курсора в направлении указанном стрелкой. Клавиши
второй группы выполняют следующие действия: PAGE UP/PAGE DOWN –
перевод курсора на одну страницу вверх или вниз; HOME и END – переводят
курсор в начало или конец текущей строки соответственно; INSERT –
переключает режим вставки и замены; BACKSPASE и TAB.DELETE –
предназначена для удаления знаков, находящихся справа от текущего
положения курсора.
Клавиши
цифровых
и
дополнительной
некоторых
клавиатуры
знаковых
клавиш
дублируют
основной
действие
панели.
Для
использования дополнительной клавиатуры с цифровыми клавишами
10
необходимо предварительно нажать клавишу переключатель NUM LOCK.
Кроме того, дополнительную клавиатуру можно использовать для ввода
символов расширенного кода ASCII. Например, символ § имеет код 0167.
Для его ввода необходимо: убедиться, что включен режим NUM LOCK;
нажать и удержать клавишу ALT; не отпуская клавиши ALT, набрать
последовательность цифр ALT-кода на дополнительной клавиатуре. ALT –
коды символов можно узнать посмотрев их в специальной таблице. (/ 0147; # # - 035; ♦ - 040;)
В современных клавиатурах минимум 101 клавиша. Или если правая
клавиша SHIFFT уже правой, передней добавляется еще одна алфавитноцифровая клавиша и нижний ряд имеет не 10, а 11 клавиш. Кроме того, с
появлением интерфейсных операционных систем семейства Windows
появились клавиатуры 104-105 клавиш. Две дополнительные клавиши по
сторонам от пробела Windows key служат для активизации главного меню.
Клавиша правее правой клавиши Windows key Application Key – эквивалент
контекстного меню. Внешний вид клавиатуры из 104 клавиш показан на
рисунке 4. Кроме того, выпускаются клавиатуры с дополнительными
клавишами, которые пользователь может запрограммировать для себя.
Рисунок 4 – Клавиатура на 104 клавиши
11
Клавиатура - это одно из немногих периферийных устройств, которое
практически не изменилось со времен "каменного века" компьютерной эры.
Менялось (и меняется) расположение символов на клавишах, увеличивалось
или уменьшалось их количество. Модернизировались размеры клавиатур, их
форма. Изменялось до неузнаваемости внутреннее устройство. Остается
неизменным - принципы работы этой доски с кнопками, которая служила,
служит, и еще долго будет служить основным и удобнейшим устройством
ввода. По крайней мере, до тех пор, пока технология не позволит
осуществлять нам безошибочный ввод голосом или мыслью.
Периферийные устройства
Мыши, трекболлы, трекпэды (устройства позиционирования)
Первые персональные компьютеры имели единственное устройство
для ввода информации и управления работой компьютера — клавиатуру. Но
для
более
простого
управления
нужно
было
придумать
другую,
параллельную клавиатуре, систему. За эту работу взялся Дуглас Энджелбарт
из Стенфордского исследовательского института (США). Он разработал
систему меню, которая могла управляться двигающимся графическим
объектом, изображенном на экране (курсором). Управлять этим курсором
можно было при помощи миниатюрного устройства — манипулятора с
несколькими (2-3) кнопками.
Манипулятор разрабатывался в 1963-65 г.г. В 1970 Энджелбарт
получил
патент
на
манипулятор.
Вначале
манипулятор
назывался
“Индикатор позиции X-Y”.
Созданный манипулятор соединяется с компьютером при помощи
шнура и внешне напоминает мышку. Его, шутя, назвали "мышка", а потом
этот термин закрепился и стал официальным. Внешний вид современных
компьютерных мышей показан на рисунке 5.
12
Рисунок 5 – Компьютерные мыши
Мышь – манипулятор, созданный для ввода управляющей информации
в компьютер. Преобразует направление и скорость перемещения кисти руки
в управляющие сигналы. Получила распространение с тех пор, как на
компьютерах стали использовать графические оболочки. Имеет две или три
кнопки. Двухкнопочные мыши могут иметь колесико между клавишами для
быстрого просмотра многостраничной информации. Качающаяся средняя
кнопка имеет такое же назначение.
В настоящий момент мышь может быть подключена к компьютеру
через последовательный COM – порт, порт PC/2, порт USB. Последний
вариант предпочтительней.
Одной из разновидностей мышки является манипулятор Трекболл
(Trackball) (можно перевести как шарик, прокладывающий путь), который
выглядит как перевернутая мышка с большим шариком. Смотри рисунок 6.
Рисунок 6 – Манипуляторы Trackball
Строго говоря, русского названия этого манипулятора пока нет,
поэтому используется английское, которое произносится "трекболл". Этот
манипулятор сам не движется, поэтому не требует подкладки, как мышка, и
не занимает много места на столе. Движущуюся часть - шарик вращают
ладошкой. На манипуляторе "трекболл", как и на мышке, есть две или три
13
кнопки. Такие манипуляторы конструктивно могут выполнены как и мыши
на отдельном проводе, а могут быть встроены в клавиатуру.
В
современных
ноутбуках
часто
используют
манипуляторы,
называемые трекпэды. Это сенсорные пластиночки, по которым водят
пальцем. Перемещение пальца по пластине перемещает указатель на экране
монитора. По аналогии с трекболом рядом с экраном находятся кнопки
управления.
ПРИНТЕРЫ
Принтер – устройство для вывода информации на бумажный носитель
и прозрачные пленки.
По технологии печати можно выделить принтеры: матричные,
струйные, лазерные, LED и др.
Матричные принтеры – это принтеры, в которых печатающим
элементом является головка с 9, 18, или 24 иголками, удар которых через
красящую ленту формирует выводимый символ на бумаге. Эти принтеры в
настоящее время не выпускаются.
Струйные принтеры формируют изображение на бумаге из пятен,
образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Печатающая
головка разбрызгивает специальные чернила через сопла на бумагу,
количество которых может достигать 256. Толщина струи меньше иглы
матричного принтера, поэтому качество печати выше.
Печатающие головки могут быть совмещены с чернильницей, а могут
быть отдельно. В первом случае при окончании чернил заменяется весь блок.
Во втором лишь чернильница. Хотя сама печатающая головка тоже является
расходным материалом. Струйные принтеры по конструктивному решению
подразделяют на две большие группы.
Первая группа принтеры непрерывного действия (continuous drop),
когда чернила либо непрерывно разбрызгиваются на бумагу при печати, либо
14
возвращаются обратно в чернильницу. В настоящее время эти принтеры
широкого распространения не имеют.
Вторая группа принтеры дискретного действия (drop on demand). В
этих принтерах чернила используются только по необходимости, используя
либо специальную пузырьковую технологию (bubble jet), либо пьезоэффект
(piezo ink jet). Принтеры, использующие пузырьковую технологию, в
печатающей головке имеют небольшой нагревательный элемент, который
под действием электрического тока очень быстро нагревает чернила.
Необходимая порция чернил выбрасывается из сопла. А одновременно с
остыванием всасывается очередная чернильная капля.
В принтерах, использующих пьезоэффект, капля выбрасывается
щелчком при изменении размеров пьезокристалла под воздействием
электрического тока. Этот метод позволяет обеспечить более стабильную
форму капли, близкую к сферической.
Качество печати изображения во многом зависит от формы капли и ее
размера, а также от характера впитывания жидкого красителя поверхностью
бумаги. В этих условиях особую роль играют вязкостные свойства красителя
и свойства бумаги.
К положительным свойствам струйных печатающих устройств следует
отнести относительно небольшое количество движущихся механических
частей и, соответственно, простоту и надежность механической части
устройства и его относительно низкую стоимость. Основным недостатком,
по
сравнению
с
лазерными
принтерами,
является
нестабильность
получаемого разрешения, что ограничивает возможность их применения в
черно-белой полутоновой печати. В то же время струйные принтеры нашли
широкое применение в цветной печати. А также к недостаткам струйного
принтера следует отнести стоимость чернил для них. Покупая струйный
принтер необходимо учитывать стоимость заправки его чернилами.
Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати, не
уступающее, а во многом превосходящее полиграфическое. Они отличаются
15
также высокой скоростью печати, которая измеряются в страницах в минуту
(ppm – page per minute). Как и в матричном принтере итоговое изображение
формируется из точек. Принцип действия лазерных принтеров следующий:
 в соответствии с поступающими данными лазерная головка
испускает световые импульсы, которые отражаются от зеркала и
попадают на поверхность светочувствительного барабана;
 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 происходит
перенос тонера на бумагу;
 лист бумаги с нанесенным на него тонером протягивается через
нагревательный элемент, в результате чего частицы тонера
спекаются и закрепляются на бумаге.
Основное достоинство лазерных принтеров заключается в получении
высококачественных отпечатков, при высокой скорости печати. Модели
среднего
класса
обеспечивают
разрешение
печати
до
600dpi,
а
профессиональные модели – до 1200dpi.
Принцип действия LED – принтеров похож на принцип действия
лазерных принтеров. Разница заключается в том, что источником света
является не лазерная головка, а линейка светодиодов. Светодиоды — это
полупроводниковые элементы, которые светятся, если к ним подвести
16
электрический ток. Поскольку эта линейка расположена по всей ширине
печатаемой
страницы,
отпадает
необходимость
в
формировании
горизонтальной развертки и вся конструкция получается проще, надежнее и
дешевле. Типичная величина разрешения для светодиодных принтеров
составляет порядка 600dpi.
В настоящее время на рынке вычислительной техники есть принтеры и
с другими принципами работы. Например, термопринтеры, в которых
печатающая головка состоит из мельчайших нагревательных элементов,
которые переносят специальное красящее вещество на бумагу именно в том
месте, где обеспечивается необходимая температура. Различают принтеры с
переносом специальной красящей мастики и принтеры, в которых перенос
вещества осуществляется в газообразном состоянии. Эти устройства имеют
отличные показатели печати почти фотографического качества.
Выбирая принтер, следует обращать внимание на его основные
характеристики, к которым относятся следующие:
 разрешающая способность принтера - количество выводимых
точек на единицу длины изображения, обычно на квадратный дюйм,
измеряется в dpi (dot per inch). Современные принтеры имеют разрешение от
600 до 1200 dpi для черно-белых изображений, для цветных изображений
этот
показатель
ниже.
Многие
современные
принтеры
используют
специальные алгоритмы, улучшающие разрешение;
 количество цветов имеет важное значение. Обычно используются
три основных цвета, смешением которых получается любой цвет. Черный
цвет получить трудно, поэтому он добавляется к другим;
 качество драйверов и используемые алгоритмы цветоделения
играют немаловажную роль для получения качественной печати;
17
 скорость печати измеряется количеством страниц в единицу
времени, обычно в минуту. Современные принтеры имеют скорость печати
от 1-2 до 10-12 страниц в минуту;
 ресурс
принтера
определяется
временем
непрерывной
эксплуатации и измеряется количеством страниц в единицу времени, обычно
в месяц. Превышение ресурса существенно повышает вероятность поломки
принтера;
 ресурс одной заправки вместе с ее стоимостью определяет
стоимость эксплуатации принтера. Лазерные принтеры обычно стоят дороже
струйных, но эксплуатация последних несколько дороже.
ПЛОТТЕРЫ (ГРАФОПОСТРОИТЕЛИ)
Плоттер (Plotter) или графопостроитель — устройство для вывода
различных чертежей, географических карт, плакатов и других изображений
на бумагу большого формата. Внешний вид плоттера показан на рисунке 7.
Рисунок 7 - Плоттер
Плоттеры бывают монохромными и цветными. По конструкторскому
исполнению плоттеры бывают барабанные и планшетные. Подразделяются
также плоттеры с разным пишущим инструментом. С этой точки зрения
бывают плоттеры: с пером – одноразовой заправки; с фломастером –
многоразовой заправки; карандашные с автоматически выдвигаемым
цанговым карандашом. По технологии нанесения изображения плоттеры
18
делятся на: перьевые; плоттеры на термобумаге (строящие изображение
локальным нагревом специальной бумаги); струйные; лазерные и LED –
плоттеры. Постепенно грань между принтерами и плоттерами стирается.
Плоттеры от принтеров отличает только большой формат бумаги.
СКАНЕРЫ
Сканером называется устройство, позволяющее вводить в компьютер
образы изображений, представленные в виде текста, рисунков, слайдов,
фотографий или другой графической информации. В том случае, когда с
помощью сканера вводится знаковая информация, исходный материал
вводится в графическом виде, после чего обрабатывается специальными
программными средствами (программами распознавания образов).
Планшетные
предназначены
сканеры
для
ввода
графической
информации с прозрачного или непрозрачного листового материала.
Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный
от поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал),
фиксируется
специальными
элементами,
называемыми
приборами
с
зарядовой связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляют в
виде линейки, располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение
линейки
относительно
протягиванием
листа
бумаги
при
неподвижной
линейки
выполняется
установке
механическим
листа
или
протягиванием листа при неподвижной установке линейки. Планшетный
сканер показан на рисунке 8.
Рисунок 8 – Планшетный сканер
19
Основными потребительскими параметрами планшетных сканеров
являются:
 разрешающая способность (количество различимых точек на
дюйм изображения, зависит от плотности размещения приборов
ПЗС
на
линейке,
а
также
от
точности
механического
позиционирования линейки при сканировании);
 производительность
сканера,
определяемая
продолжительностью сканирования листа бумаги стандартного
формата и зависящая как от совершенства механической части
устройства, так и от типа интерфейса, использованного для
сопряжения с компьютером;
 динамический диапазон, определяемый логарифмом отношения
яркости наиболее светлых участков изображения к яркости
наиболее темных участков (типовой показатель для сканеров
офисного применения составляет 1,8-2,0, а для сканеров
профессионального применения – от 2,5;
 максимальный размер сканируемого материала.
Принцип действия ручных сканеров в основном соответствует
планшетным. Внешний вид ручного сканера показан на рисунке 9. Разница
заключается в том. Что протягивание линейки ПЗС в данном случае
выполняется вручную. Равномерность и точность сканирования при этом
обеспечиваются неудовлетворительно, и разрешающая способность у
ручного сканера низкая.
Рисунок 9 – Сканер ручного типа
20
В сканерах барабанного (рулонного) типа исходный материал
закрепляется на цилиндрической поверхности барабана, вращающегося с
высокой скоростью. Внешний вид сканера барабанного типа показан на
рисунке 10. Устройства этого типа обеспечивают наивысшее разрешение
благодаря применению не ПЗС, а фотоэлектронных умножителей. Их
используют для сканирования исходных изображений, имеющих высокое
качество, но недостаточные линейные размеры (фотонегативов, слайдов и
т.п.)
Рисунок 10 – Сканер барабанного типа
Для ввода данных от стандартных форм, заполненных механически или
от «руки», применяются сканеры форм. Необходимость в этом возникает при
проведении переписей населения, обработке результатов выборов и анализе
анкетных данных. От сканеров форм не требуется высокой точности
сканирования, но быстродействие играет повышенную роль и является
основным потребительским параметром.
Разновидность ручных сканеров – штрих-сканеры предназначены для
ввода данных закодированных в виде штрих-кода. Такие устройства имеют
применение в розничной торговой сети.
ДИГИТАЙЗЕРЫ ИЛИ ГРАФИЧЕСКИЕ ПЛАНШЕТЫ
Дигитайзеры - это устройства для ввода в память компьютера точечных
и контурных изображений (чертежей, карт и т. д.). При работе с
дигитайзером в компьютер передаётся информация о положении указателя,
перемещаемого рукой по линии вводимого изображения. Дигитайзеры
состоят из 2-х частей - активной области и указателя. Указатель может быть
21
выполнен в виде пера или наводчика (устройство по форме напоминающее
мышку, но вместо шарика иголочка).
Выделяют следующие виды дигитайзеров:
Электромеханические дигитайзеры, с жёстким креплением указателя. В
таких дигитайзерах активная область содержит проволочную сетку с
одинаковыми промежутками, причём эти промежутки бывают 0,1-0,5 дюйма.
Их
недостаток:
очень
громоздкие,
по
внешнему
виду
напоминаю
конструкторский кульман. Внешний вид такого дигитайзера показан на
рисунке 11.
Рисунок 11 – Электромеханический дигитайзер
Планшетные
дигитайзеры.
Сигнал
от
указателя
улавливается
датчиками, расположенными под поверхностью небольшого планшета,
обычно пластмассового. Главный недостаток таких дигитайзеров в том, что
они не очень точные. Внешний вид дигитайзера показан на рисунке 12.
Рисунок 12 – Планшетный дигитайзер
22
Рулонные
дигитайзеры
резистивного
декодирования
(resisting
decoding). Отличаются от планшетных дигитайзеров мягкой поверхностью
активной области, она сворачивается в рулон. Принцип действия такой же,
как у планшетных дигитайзеров.
Акустические дигитайзеры (sonic). Обнаруживают позицию пера или
наводчика в трёхмерном пространстве. Позволяют вводить контуры
объемных изображений.
23
82
Аппаратное обеспечение персонального компьютера
Изучив материал, студент должен знать:
состав персонального компьютера;


назначение и характеристики основных элементов персонального
компьютера.
Изучив материал, студент должен уметь:
использовать конфигурацию компьютера для организации вычислительных

процессов.
Персональный компьютер – универсальная техническая система. Его
конфигурацию (состав оборудования) можно гибко менять по мере
необходимости. Принято считать, что с аппаратной точки зрения компьютер
состоит из трех основных частей: системный блок, монитор и клавиатура и
внешние
устройства.
Тем
не
менее,
существует
понятие
базовой
конфигурации, в таком комплекте компьютер обычно поставляется. В
настоящее время в базовую конфигурацию входят: системный блок, монитор
и клавиатура, мышь. Блок схема устройства современного персонального
компьютера с аппаратной точки зрения показана на рисунке 1.
Системный блок персонального компьютера
Системный блок - металлический корпус, покрытый пластиком для
уменьшения электромагнитных излучений. Он представляет собой основной
узел,
внутри
которого
установлены
наиболее
важные
компоненты
компьютера.
В современных компьютерах системный блок содержит следующие
компоненты:
−
материнская плата (mother board);
−
дочерние платы (платы расширения – контроллеры и адаптеры
внешних устройств – платы, соединяющие входные и выходные устройства с
процессором);
−
внутренний накопитель – жесткий магнитный диск (винчестер);
83
Системный блок
Системная материнская плата
Сопроцессор
Процессор
ОЗУ
КЭШ
BIOS
Контроллер
клавиатуры
Клавиатура
CMOS
Системная магистраль данных (шины)
Блок
питания
Видео
Контрол леры доп.
устройств
Устройства, охлаждения
Адаптеры
портов
Контроллеры
дисков
Жесткий диск
Монитор
Устройства,
подключаемые
через
контроллеры
Устройства,
подключаемые через
порт
Рисунок 1 – Блок-схема персонального компьютера
НГМД
CD
84
−
дисководы для накопителей на гибких магнитных дисках (НГМД
или floppy disk);
−
дисководы для оптических и СD – дисков;
−
блок питания;
−
устройства охлаждения.
Сверхоперативную память компьютера и системную память принято
называть внутренней памятью компьютера. Жесткий магнитный диск, НГМД
и компакт или оптические диски называют внешней памятью компьютера.
Системная материнская плата (System board, Mother board)
Системная (материнская) плата – основная плата компьютера,
связывающая все его электронные компоненты и обеспечивающая их
взаимодействие.
На материнской плате размещаются различные микросхемы и имеются
разъемы для подключения микросхем.
Необходимые электрические соединения отдельных элементов на
системной плате выполняется предварительным травлением медной фольги,
нанесенной на подложку из стеклотекстолита. Системная плата представляет
собой большую печатную плату, при помощи которой части компьютера,
объединяются в единое целое. Внешний вид системной материнской платы с
подключенными на ней основными компонентами компьютера показан на
рисунке 23.
85
Рисунок 2 – Системная (материнская) плата
Конструктивные
особенности
современных
системных
плат
определяются ее Форм-фактором.
Все основные функции системной платы, к которым относится
организация взаимодействия процессора, памяти, шины и периферийных
устройств, реализуются с помощью набора специальных контроллеров чипсета.
Параметры микропроцессорного комплекта (чипсета) в наибольшей
степени определяют свойства и функции материнской платы.
Современные чипсеты развиваются сразу в нескольких направлениях.
Первое – это совершенствование основных функций, стимулированное
возрастанием производительности процессоров и периферийных устройств и
затрагивающее контроллеры памяти и шины AGP, IDE контроллер, IEEE
1394.
Второе - это дифференциация решений с учетом особенностей
отдельных сегментов рынка.
И третье – интеграция дополнительных устройств: графических и
звуковых ускорителей, портов ввода-вывода, сетевых контроллеров и других.
86
В современном сленге, если котроллер встроен в чипсет материнской платы,
то говорят, что он на борту. (Звук на борту, видео на борту).
Разъемы для установки процессора (одного или нескольких)
различны для разных процессоров.
Микросхема BIOS (Basic Input Output System – базовая система вводавывода) содержит программное обеспечение платы – драйверы низкого
уровня для обслуживания основных устройств ввода-вывода, программу
начального загрузчика, выполняющую функцию загрузки операционной
системы с диска, и программу POST (Power on Self Test), осуществляющую
тестирование устройств ПК при включении питания. Раньше для микросхем
BIOS использовалась нестираемая память, а теперь используется перезаписываемая память.
Микросхема CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Для
того чтобы начать работу с конкретным оборудованием, программы,
входящие в состав BIOS, должны знать, где найти нужные параметры.
Специально
для
этого
на
материнской
плате
есть
микросхема
энергонезависимой памяти, по технологии изготовления называемая CMOS
(Complementary Metal Oxide Semiconductor), микросхемы, выполненные по
этой технологии, как известно, отличаются малым энергопотреблением.
Данные в нее можно заносить и стирать самостоятельно, в соответствии с
тем, какое оборудование входит в состав вычислительной системы. Эта
микросхема
постоянно
подпитывается
от
небольшой
батарейки,
расположенной на материнской плате. Заряда этой батарейки хватает на то,
чтобы микросхема не теряла данные, даже если компьютер будет отключен
несколько лет.
В микросхеме CMOS хранится аппаратная конфигурация компьютера
данные о гибких и жестких дисках, о процессоре, о некоторых других
устройствах
материнской
платы.
При
включении
питания
текущая
конфигурация сравнивается с сохраненной ранее. Если найдены отличия, то
содержимое CMOS-памяти
обновляется
и,
если
это
необходимо,
87
предлагается вызвать подпрограмму BIOS Setup для указания параметров
вновь обнаруженных компонентов. Если же отличий в конфигурации нет,
или же обновление конфигурации выполнено без участия пользователя,
то
осуществляются
аппаратных
необходимые
компонентов
настройки
компьютера.
С
(конфигурирование)
помощью
специальной
подпрограммы BIOS Setup пользователю предоставляется возможность
указать
параметры
и
режимы
функционирования
отдельных
компонентов компьютера. Там же, при необходимости, можно часть
оборудования и отключить.
Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о
составе оборудования компьютера из микросхем 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.
Тот факт, что компьютер четко отслеживает время и календарь даже в
выключенном состоянии, тоже связан с тем, что показания системных часов
постоянно хранятся и изменяются в CMOS.
Также на материнской плате имеются:
−
разъемы для модулей памяти;
−
разъемы для установки дочерних плат. Обычно имеется несколько
(4-6) слотов для плат с интерфейсом PCI и один слот для платы
видеоадаптера
с
интерфейсом
AGP.
В
современных
платах
редко
встречаются слоты для подключения плат с интерфейсом ISA (EISA);
−
разъем для подключения питания;
−
разъемы подключения дисководов и внешних устройств;
−
вспомогательные микросхемы и устройства (преобразователь
напряжения, тактовый генератор, таймер, контроллер прерываний и т. п.).
Аппаратный мониторинг. Средства для контроля за напряжениями
питания, температурой и работой охлаждающих вентиляторов, встраиваются
сейчас в большинство системных плат.
88
Регулировки. Большинство современных системных плат позволяет
производить установку напряжения питания и частоты шины процессора
программным путем, без использования механических переключателей.
Необходимое
напряжение
питания
автоматически
устанавливается
с
помощью VRM (Voltage Regulator Module) в соответствии со значениями,
«зашитыми» в процессор при изготовлении.
Современные
системные
платы
изготавливают
разные
фирмы
производители. Большинство этих фирм расположено на Тайване. В
настоящее время доля Тайваня достигает более 80% от всех производимых в
мире системных плат. Крупнейшим Тайваньским производителем является
фирма ASUSTek. На российском рынке она представлена особенно широко.
Основные характеристики материнских плат:
−
модель чипсета;
−
тип используемого процессора (зависит от разъема для установки
процессора);
−
формат;
−
число и тип разъемов для установки дочерних плат;
−
возможность обновления BIOS.
Процессор, сопроцессор и КЭШ память.
СОП (Сверхоперативная память компьютера)
Процессор, иначе, центральный процессор – Central Processing Unit
(CPU) – это основной элемент компьютера, в современных компьютерах
представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную на
одном
полупроводниковом
кристалле.
Процессор
это
программно
управляемое устройство обработки информации, в котором производятся все
вычисления.
Для современных процессоров характерно:
89
 простота производства, что обеспечивается единой технологией
производства;
 низкая стоимость, так производство современных процессоров
является массовым;
 малые габариты, современный микропроцессор имеет площадь
несколько квадратных сантиметров, размер одной стороны всего несколько
миллиметров.
 высокая надежность;
 малое потребление энергии.
Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки
оперативной памяти. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.
Важно также отметить, что данные, попавшие в некоторые регистры,
рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой
данных в регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, которые в
зависимости от содержания способны модифицировать исполнение команд.
Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора,
можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение
программ.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с
оперативной
памятью,
процессор
связан
несколькими
группами
проводников, называемых шинами. Основных шин три.
Адресная шина. Комбинация из нолей и единиц в этой шине образует
адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти. В процессоре эта
шина связана с регистром, который называют «программный счетчик».
Регистр «программный счетчик» всегда содержит адрес оперативной памяти,
из которого считывается текущая, то есть выполняемая в данный момент
процессором, команда.
Шина данных. По этой шине происходит копирование данных из
оперативной памяти в регистры процессора для обработки, и после
90
выполнения над ними необходимых действий, запись их обратно из
процессора в оперативную память.
Шина команд. Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные,
ему нужны команды. Он должен знать, что следует делать с теми байтами,
которые хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже
из оперативной памяти, в регистр процессора, который называют «регистр
команд». Команды тоже представлены в виде байтов.
В процессе работы процессор обслуживает данные. Находящиеся в его
регистрах, в поле оперативной памяти, а также данные, находящиеся во
внешних
портах
процессора.
Часть
данных
он
интерпретирует
непосредственно как данные, часть – как адресные данные, а часть – как
команды. Совокупность всех возможных команд процессора, которые может
выполнить процессор над данными, образует так называемую систему
команд процессора. Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют
близкие системы команд.
Таким образом, в процессе работы процессор выполняет следующие
функции:
 чтение и дешифрация команд из основной памяти;
 чтение данных из оперативной памяти и регистров на адаптерах
внешних устройств;
 прием и обработку запросов и команд от адаптеров на
обслуживание внешних устройств;
 обработку данных и их запись в оперативную память и регистры
адаптеров внешних устройств;
 выработку управляющих сигналов для всех узлов и блоков
персонального компьютера.
Часто различают процессоры CISC (Common Instruction Computer
процессоры с полным набором команд) и RISC (Reduced Instruction Set
Computer - процессоры с сокращенным набором команд).
Основные характеристики процессора.
91
Разрядность процессора. Это число двоичных разрядов, одновременно
обрабатываемых при выполнении одной команды. В настоящее время в
основном работают 64-разрядные процессоры. Очевидно, что чем больше
разрядность, тем выше производительность процессора.
Производительность
процессора
определяется
также
скоростью
выполнения команд программы. Поскольку время исполнения разных команд
существенно варьируется, то для характеристики производительности
процессора используют тактовую частоту.
Тактовая частота. В основе работы процессора лежит тактовый
принцип, что и в обычных часах. Тактовый период – это время, за которое в
процессоре, в одной ячейке памяти (бите) может произойти смена данных
(т.е. ноль обратится в единицу или единица в ноль). Исполнение каждой
команды занимает определенное количество тактов. В персональном
компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в
микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской
плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем выше его
производительность, но строгой зависимости нет.
Система команд. В составе команд современного процессора, как
правило, присутствуют арифметические и логические команды над числами с
фиксированной и плавающей запятой, а также дополнительные команды,
реализующие
обработку
графических,
видео-
и
аудиоданных.
В
предшествующих моделях для реализации таких команд нужно было
создавать программу, включающую несколько десятков или сотен машинных
команд. За счет этого соответствующие действия выполняются намного
быстрее.
Общее
количество
команд,
реализуемых
современным
процессором, достигает нескольких сотен.
Наличие и характеристики кэш-памяти.
Кэш-память в процессорах используется для ускорения доступа к
данным, размещенным в ОЗУ. Для того чтобы уменьшить количество
обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную
92
область – так называемую кэш-память. В общем случае кэш-память – это
определенным способом организованная память - место, куда помещается
информация, подготовленная для использования каким - либо устройством.
(В данной ситуации это сверхоперативная память, но кэш может быть создан
и другими микросхемами памяти, например кэш-память между оперативной
памятью и жестким диском ускоряет обмен информацией между этими
устройствами).
Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память,
и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в
оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти,
процессор заносит его одновременно и в кэш-память.
Обычно используется кэш-память первого и второго уровня. Кэшпамять первого уровня имеет меньший объем, чем кэш-память второго
уровня, но она размещается непосредственно в процессоре и потому намного
быстрее.
С
увеличивается,
каждым
и
новым
таким
поколением
образом
процессоров
увеличивается
кэш-память
производительность
компьютера.
Параллельное исполнение команд.
Оно основано на том, что каждая команда исполняется процессором за
несколько внутренних циклов работы. Поэтому, когда исполнение одной
команды переходит к следующему циклу, процессор одновременно может
начать обрабатывать другую команду. За счет организации конвейера команд
скорость работы процессора намного возрастает. Но конвейер не всегда
возможен. Поэтому активно развиваются научные исследования, связанные с
оптимизацией построения конвейеров обработки команд.
Технология изготовления процессоров.
Чем меньше размеры процессора, тем он быстрее, потому что меньше
расстояние между элементами и электроны проходят его быстрее. Поэтому
все время идут работы по разработке технологий более плотного размещения
элементов в процессорах. Одним из основных путей уменьшения размеров и
93
соответственно
увеличения
плотности
расположения
элементов
в
микросхеме процессора является уменьшение толщины проводников. В
современных процессорах нормы толщины проводников снижены до 0,18 0,09 мкм. Чем меньше размер одного электронного элемента, тем выше
тактовая частота процессора.
Многоядерность.
История
развития
центральных
процессоров
довольно интересна. Если проследить за ней с появления первых настольных
компьютеров,
то
становится,
очевидно,
что
основным
двигателем
производительности было повышение тактовой частоты. Но всё в природе
имеет придел. С увеличением частоты тепловыделение процессоров
нелинейно растёт, что в конечном итоге приводит к слишком высоким
значениям. Не помогает даже использование более тонких технических
процессов, при создании транзисторов выход нашли в использование
нескольких ядер в одном кристалле. Многоядерность сродни использованию
нескольких отдельных процессоров в одном компьютере. Только находятся
они
в
одном
кристалле
и
не
полностью
независимы
(например,
использование общей кэш-памяти). При использовании уже имеющегося
программного обеспечения, созданного для работы только с одним ядром,
это даёт определённый плюс. Так, можно запустить одновременно две
ресурсоёмкие задачи без какого-либо дискомфорта. А вот ускорение одного
процесса – задача для таких систем непосильная. Таким образом, мы
получаем практически тот же самый одноядерный процессор с небольшим
бонусом в виде возможности использования нескольких требовательных
программ одновременно. Выход из данной ситуации очевиден – разработка
нового
поколения
ПО,
способного
задействовать
несколько
ядер
одновременно. Этот процесс можно назвать распараллеливанием процессов.
На деле всё оказалось довольно сложно. Переход к многоядерным
процессорам
может
дать
заметный
толчок
развитию
индустрии
виртуализации. Виртуализация ресурсов процессоров позволит осуществлять
параллельную обработку разных приложений и потоков данных.
94
Многоядерность, многопоточность, виртуализация и энергосбережение
становятся ключевыми направлениями развития процессорной индустрии.
Для увеличения производительности процессора в компьютерах
используют сопроцессор.
Сопроцессор - процессор, выполняющий операции определенной
направленности.
Математический сопроцессор - это процессор, выполняющий
операции над числами с плавающей запятой.
Основные направления совершенствования процессоров:
 уменьшение размеров и увеличение плотности элементов;
 увеличение разрядности;
 параллельное исполнение команд;
 развитие системы команд;
 оптимизация кэш-памяти.
Оперативная память компьютера
Изучив материал, студент должен знать:

виды памяти компьютера;

внешние запоминающие устройства;

основные характеристики запоминающих устройств.
Изучив материал, студент должен уметь:
использовать различные запоминающие устройства

информации.
для
хранения
Оперативная память или Оперативное Запоминающее Устройство
(ОЗУ) или Random Access Memory (RAM) – это внутренняя память
компьютера, которая допускает изменение своего содержимого в ходе
выполнения команд процессором, т.е. в ходе выполнения программ.
Оперативная память служит для того, чтобы хранить всю информацию,
поступающую в компьютер во время его работы. Любая программа, с
которой
мы
собираемся
работать,
записывается
или
как
говорят
"загружается" в оперативную память, и в памяти хранятся все данные и
95
результаты вычислений, которые производятся процессором во время
выполнения программы.
Объем оперативной памяти влияет на скорость работы компьютера.
Если объем памяти невелик, то для хранения промежуточных данных при
работе программы, процессор удаляет некоторые, не нужные при данной
операции, модули программы из оперативной памяти, затем удаленные
модули вновь записываются в память. Все эти операции увеличивают время
выполнения программ. Если оперативная память имеет достаточный объем,
то никаких лишних операций процессор не производит и компьютер работает
быстрее.
Объем адресуемой памяти зависит от типа процессора, в частности от
разрядности адресной шины.
Информация в оперативной памяти сохраняется, пока включен
компьютер. Плата оперативной памяти приведена на рисунке 26.
Рисунок 26 – Плата оперативной памяти
Оперативная память Random Access Memory (RAM) – это массив
кристаллических ячеек, способных хранить данные.
С
точки
зрения
физического
принципа
действия
различают
динамическую память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Динамическая память (DRAM) - динамический тип памяти с
произвольной выборкой и матричной реализацией. Каждый бит такой памяти
представляется в наличии или отсутствии разряда на конденсаторе. Для
реализации
одного
требуется
1-2
запоминающего
транзистора.
Это
элемента
наиболее
динамической
памяти
распространенный
и
экономически доступный тип памяти. Недостатки этого типа связаны, во-
96
первых, с тем, что как при разряде конденсаторов неизбежны переходные
процессы, то есть запись данных происходит сравнительно медленно.
Второй важный недостаток связан с тем, что заряды ячеек имеют свойство
рассеиваться в пространстве (разряжаться), причем весьма быстро. Если
оперативную память постоянно не подзаряжать, утрата данных происходит
через несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в
компьютере происходит постоянная регенерация (освежение, подзарядка)
ячеек оперативной памяти. Регенерация осуществляется несколько десятков
раз
в
секунду
и
вызывает
непроизводительный
расход
ресурсов
вычислительной системы.
Статический тип оперативной памяти (SRAM) - ячейки этого типа
памяти можно представить как электронные микроэлементы - статические
триггеры. В триггере храниться не заряд, а состояние (включен/выключен),
поэтому этот тип памяти обеспечивает более высокое быстродействие, хотя
технически он сложнее и дороже. Для реализации одного запоминающего
элемента такого типа оперативной памяти необходимо 4-6 транзисторов.
Микросхемы динамической памяти используются в качестве основной
оперативной памяти компьютера. Микросхемы статической памяти
используются в качестве вспомогательной памяти (например, для кэшпамяти), предназначенной для оптимизации работы процессора.
Максимальное
количество
оперативной
определяется
микропроцессорным комплектом (чипсетом) материнской платы.
Оперативная
память
компьютера
размещается
на
стандартных
панельках, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в
соответствующие разъемы на материнской плате.
В видеопамяти также используется динамическая оперативная память,
работа которой имеет ряд особенностей, которые будут рассмотрены в
разделе видеоподсистема.
Появилась магнитная память MRAM в интегральном исполнении.
Сочетая скорость SRAM и возможность хранения информации при
97
отключённом
питании,
является
MRAM
перспективной
заменой
используемым ныне типам ROM и RAM. Однако она на сегодняшний день
приблизительно вдвое дороже микросхем SRAM (при той же ёмкости и
габаритах).
Шинные интерфейсы и контроллеры
Связь между всеми собственными и подключаемыми устройствами
материнской платы выполняют ее шины и логические устройства,
размещенные в микросхемах микропроцессорного комплекта (чипсета). От
архитектуры этих элементов во многом зависит производительность
компьютера.
Обмен информацией между внешними устройствами и внутренней
памятью компьютера осуществляется через два промежуточных звена. Вопервых,
для
каждого
внешнего
устройства
в
компьютере
имеется
электрическая схема, которая им управляет. Эта схема называется
контроллером, или адаптером. Некоторые контроллеры могут управлять
сразу несколькими устройствами. Во-вторых, все контроллеры и адаптеры
взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через
магистраль передачи данных, которую называют шиной.
Шина - совокупность проводов и разъемов, обеспечивающих
взаимодействие устройств компьютера.
Подсоединение периферийных устройств (мышь, внешние модемы,
сканеры, цифровые фотокамеры, принтеры и т.п.) производится через
специальные интерфейсы, называемые портами ввода-вывода.
Порт (канал ввода-вывода) - путь, по которому происходит обмен
данными между микропроцессором и микросхемами внешних устройств.
Последовательный порт передает информацию побитно, а параллельный –
побайтно.
Обычно
в
последовательных порта.
ПК
имеются
один
параллельный
и
два
98
Ранее последовательные порты использовались для подключения
мыши и внешних модемов, а параллельные – для подключения принтеров,
сканеров и ключей защиты программ. В настоящее время последовательные
и параллельные порты вытеснены шиной USВ (Universal Serial Bus), которая
является обязательным элементом современного ПК.
Шина USB представляет собой последовательный интерфейс передачи
данных для средне - и низкоскоростных периферийных устройств. Она
рассчитана
па
подключение
до
127
устройств,
поддерживает
их
автоопределение Plug and play, а также подключение к работающему
компьютеру без его перезагрузки.
Платы расширения предназначены для подключения к шине ПК
дополнительных устройств. Они устанавливаются в разъемы расширения на
материнской плате.
Основные типы дочерних плат:

видеоадаптеры;

звуковые платы;

внутренние модемы и факс-модемы;

адаптеры локальной сети;

SCSI-адаптеры.
Устройства хранения информации.
Внешняя память компьютера. Накопители
Устройства хранения информации называют накопителями. В основе
их работы лежат разные принципы (в основном это магнитные или
оптические устройства), но используются они для одной цели – хранения
информации и последующего многократного ее использования. Этот вид
памяти, в отличие от оперативной памяти, является энергонезависимым.
Объем
носителей
внешней
памяти
значительно
превосходит
объем
оперативной памяти. Стоимость хранения единицы информации значительно
99
ниже. Сам накопитель рассматривают как совокупность носителя и
соответствующего привода.
Накопители бывают:
−
внешними, имеющими свой корпус и источник питания;
−
внутренними, встраиваемыми в корпус компьютера.
Внутренние накопители размещаются внутри системного блока ПК и
подключаются через интерфейсы IDE и SCSI, а внешние – вне системного
блока и подключаются через шины USB и Fire Wire.
Кроме того, различают накопители со сменными носителями и
несменными носителями.
В зависимости от типа носителя подразделяют на накопители на
магнитной ленте и накопители на диске.
Накопители
на
магнитной
ленте
называют
устройствами
последовательного доступа к информации. Дисковые накопители называют
устройствами прямого доступа к информации.
Накопители
имеют
следующие
характеристики:
максимально
возможный объем хранимой информации; время доступа к данным;
надежность работы Немаловажное значение имеет стоимость хранения
информации.
Жесткие диски (винчестеры)
Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД), жесткий диск –
основное устройство для долговременного хранения больших объемов
программ и данных.
На самом деле это не один диск, а группа соосных дисков, имеющих
магнитное покрытие и вращающихся с огромной скоростью. Жесткий диск
современного компьютера и жесткий диск со снятой крышкой показаны на
рисунках 3 и 4.
100
Рисунок 3 - Жесткий диск (винчестер)
Рисунок 4 - Жесткий диск со снятой крышкой
Таким образом, этот диск имеет не две поверхности, как должно быть у
обычного плоского диска, а 2n-2 поверхностей для записи и чтения, где n –
число отдельных дисков в пакете. Над каждой поверхностью располагается
головка для чтения-записи данных. При высоких скоростях вращения дисков
в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая
подушка. При изменении силы тока, протекающего через головку,
происходит изменение напряженности динамического магнитного поля в
зазоре,
что
вызывает
изменения
в
стационарном
магнитном
поле
ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. Так осуществляется
запись данных на магнитный диск. Операция считывания происходит в
обратном порядке. Намагниченные частицы покрытия, проносящиеся с
огромной скоростью близи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции.
Электромагнитные сигналы, возникающие при этом, усиливаются и
передаются на обработку.
Магнитная головка (их несколько в специальном позиционере)
является одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция
магнитных головок постоянно совершенствуется.
К основным параметрам жесткого диска относятся емкость и
производительность. Емкость дисков зависит от технологии изготовления. В
настоящее время большинство производителей используют изобретенную
101
компанией
IBM
технологию
с
использованием
гигантского
магниторезистивного эффекта. (GMR – технологию).
Производительность жестких дисков в первую очередь зависит от
характеристик интерфейса, с помощью которого они связаны с материнской
платой (т.е. от типа контроллера и шины передачи данных).
Современные НЖМД обладают достаточно большой надежностью, а
их скорость обычно достаточна для решения любых стандартных задач.
Исключение составляют задачи, требующие записи/считывания с диска
большого потока данных, например при записи на диск видеоданных с
высоким разрешением. Высокопроизводительные НЖМД требуются также
для использования в серверах.
Кроме скорости передачи данных с производительностью диска
напрямую связан параметр среднего времени доступа. Он определяет
интервал времени, необходимый для поиска нужных данных, и зависит от
скорости вращения диска.
Надежная работа жесткого диска обеспечивается как производителем,
так
и
потребителем.
Производитель
обеспечивает
надежность
конструктивными и технологическими мероприятиями и подтверждает их
эффективность высокими значениями среднего времени наработки на отказ.
Конкретный
подход
к
надежности
на
уровне
отдельного
диска,
предусматривает SMART (Self-Monitoring Analysis and Reporting Technology)
– система контроля за некоторыми критическими узлами, интегрируемая во
все жесткие диски. На основе информации, предоставляемой SMART,
пользователь в случае необходимости может принять соответствующие меры
по устранению неисправностей, вплоть до замены жесткого диска. Фирма
Western Digital начала встраивать в свои жесткие диски специальную систему
Data Lifeguard, основанную на SMART. Она действует полностью
автоматически и через определенные промежутки времени производит
сканирование поверхности носителей, проверяя целостность данных.
102
Проблемные участки заново переписываются, либо информация переносится
на другие участки носителя.
Потребитель,
чтобы
обеспечить
надежную
работу
диска,
в
большинстве случаев просто должен соблюдать нормальные условия
эксплуатации. Проблемы могут возникать с температурным режимом,
причем для дисков с высокой скоростью вращения. В некоторых случаях
важным фактором становиться устойчивость диска к внешним воздействиям,
т.е. ударные и вибрационные нагрузки должны быть минимальны. Установка
жесткого диска должна производиться опытным персоналом. По статистике
80% возвратов вызвано неквалифицированной установкой.
CD – диски и DVD - диски
Накопители на компакт-дисках – наиболее распространен ими тип
накопителей,
использующих
сменные
носители.
Аббревиатура
CD
переводиться на русский язык как запоминающее устройство на основе
компакт диска. Внешний вид современного компакт диска показан на
рисунке 5.
Принцип действия этого устройства состоит в считывании и
записывании числовых данных с помощью лазерного луча, отражающегося
от поверхности диска. Цифровая запись на компакт диске отличается от
записи на магнитных дисках очень высокой плотностью.
Диски CD бывают следующих видов:

CD-ROM·(Read Only Memory) – диски с которых можно только
считывать информацию;

CD-R (CD-Recordable) – диски, на которые можно один раз
записать информацию, на устройствах позволяющих это сделать;

CD-RW диски, на которые можно записывать и перезаписывать
информацию.

DVD±RW - устройство, на котором можно читать любые диски, а
так также записывать информацию на диски любых видов.
103
Рисунок 5 – CD – диски
Аббревиатура DVD расшифровывается как Digital Versatile Disk, т.е.
универсальный цифровой диск. DVD – диски показаны на рисунке 6. Имея те
же габариты, что обычный компакт-диск, и весьма похожий принцип работы,
он вмещает чрезвычайно много информации. Возможно, именно из-за
большой емкости он и называется универсальным.
Рисунок 6 – Привод DVD и DVD – диск
Основным параметром дисководов (приводов) DVD-дисков является
скорость чтения записи и перезаписи данных. Она измеряется в кратных
долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных
образцах, составляющая 150 Кбайт/сек – скорость бытового плеера.
Увеличение скорости приводов это фактически единственное направление их
совершенствования. Постепенно эти накопители уходят в прошлое.
Другие виды современной внешней памяти
Flash Disk - Портативное устройство (не крупнее, чем колпачок от
фломастера или авторучки) для хранения информации и переноса данных
между компьютерами. Внешний вид этого вида внешней памяти показан на
104
рисунке 7. Легкое и компактное, простое в эксплуатации. Для его работы не
нужны ни специальные, соединительные кабели, ни источники питания, даже
самые маленькие батарейки, ни дополнительное программное обеспечение.
Рисунок 7 – внешний вид Flash памяти
Особенности съемного накопителя USB Flash Disk:

мобильность — необходимые файлы всегда будут с вами;

высокая скорость обмена данными через порт USB;

защита данных паролем;

не требуются питание от внешних источников или батарей;

компактный, легкий, оригинальный дизайн;

может быть отформатирован как загрузочный диск;

хранение данных до10 лет.
Устройства выпускаются различной емкости: 64, 128, 256, 512Мб и
даже 1Гб.
Картридеры - на сегодняшний день карты флеш-памяти находят все
большее применение в фотоаппаратах, сотовых телефонах, карманных
компьютерах и т.д., в связи с этим образовалось большое количество
различных стандартов и иметь под рукой устройство способное работать с
любым из них весьма удобно.
RAID (Redundant Array of Inexpensive Disks) – массив – устройство,
состоящее из нескольких винчестеров и RAID – контроллера. Внешний вид
устройства показан на рисунке 8. Такое устройство обладает большим
объемом дискового пространства, повышенной скорости обмена данными,
значительной
надежностью
хранения
информации.
RAID
level
0
обеспечивает высокую скорость обмена данными за счет параллельной
записи на несколько дисков. Скорость обмена находится в прямой пропорции
105
от количества используемых винчестеров. Надежность такого RAID –
массива невелика. RAID level 1 обеспечивает надежность за счет
дублирования информации на несколько дисков. RAID level 3 и 5 являются
промежуточными вариантами, где надежность обеспечивается не простым
дублированием информации, а дополнительной избыточной информацией,
необходимой для восстановления информации при сбоях системы. RAID –
массивы допускают замену винчестера без отключения питания и останова
компьютерной системы, без потерь информации.
Рисунок 8 - RAID
1
Основные этапы развития вычислительной техники. Архитектуры
ЭВМ. Принципы работы вычислительной системы
Изучив материал, студент должен знать:
Основные этапы развития вычислительной техники, архитектуры ЭВМ,

принципы фон Неймана, составляющие вычислительной системы, принципы работы
вычислительных систем.
Принцип автоматической обработки информации
вычислительным устройством. Машина фон Неймана
Основным отличием вычислительной машины от таких счетных
устройств, как счеты, арифмометр, калькулятор, является то, что вся
последовательность команд на вычисление предварительно записывается в
память
вычислительной
машины
и
автоматически
выполняется
последовательно.
Впервые
принцип
вычислительной
машины
с
автоматическим
выполнением команд предложил американский ученый фон Нейман. Он
описал основные узлы, которые должна содержать такая машина. Этот
принцип получил название фон-неймановской вычислительной машины.
Большинство современных КС в настоящее время построено именно по
этому принципу. Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей
собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства
управления. Машина фон Неймана показана на рисунке 1.
Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они
записывались в память. Все команды, совокупность которых называется
программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их
адресов, а данные, которые требуют обработки, - в ячейки с произвольными
адресами. Последняя команда программы – это обязательно команда
остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую
необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные,
обрабатываемые этой командой.
Устройство управления содержит специальный регистр, который
называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память
2
в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После
чего
вычислительная
машина
переходят
в
режим
автоматического
выполнения программы.
Ввод/вывод
Устройство
управления
Счетчик
команд
АЛУ
Память
1
Команда 1
2
Команда 2
3
Команда 3
Регистр
команд
…
n
Рисунок 1 – Машина фон Неймана
Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки
памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в
специальное устройство – «Регистр команд». Регистр команд хранил
команду во время ее исполнения. Устройство управления расшифровывает
тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых
указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды
устройство
управления
имеет
свой
алгоритм
обработки,
который
заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных
устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе
комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней
памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд,
объединенных
в
микропрограммы.
Выполнение
микропрограммы
происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е.
по принципу фон Неймана.
3
Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для
устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением
команд процессоров в современных компьютерных системах также строятся
по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в
соответствии с чем, делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет
рассказано ниже.
Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит
сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на единицу. Таким
образом, после завершения выполнения очередной команды, счетчик команд
указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая
команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой
находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот
процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не
оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить,
что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой
целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство
управления не может, поэтому, если программист забыл закончить
программу командой останова, устройство управления читает следующие
ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается
интерпретировать их как команды.
Особым случаем можно считать команды безусловного или условного
перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за
текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом
случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать
управление.
Этот
непосредственно
в
адрес
записывается
устройством
счетчик
команд
происходит
соответствующую команду программы.
и
управления
переход
на
4
История развития вычислительной техники
Первый счетный переносной инструмент — знакомые всем счеты.
Счеты иначе называют русским абаком.
Абак появился за тысячу лет до нашей эры. Известно очень много его
разновидностей, — египетский, китайский абак — суан-пан, японский —
соробан. Русский абак отличается от них тем, что на прутики нанизано по
десять шариков, а не по пять, как в остальных.
Устройства, облегчающие счет или запоминание его результатов,
известны
давно.
Рассмотрим
устройства
для
вычислений,
которые
автоматически выполняют заложенные в них программы.
В начале XVII века потребовались счетные устройства, способные
выполнять большой объем вычислений с высокой точностью. Многие ученые
создавали устройства для вычислений, например, в 1623 году В. Шиккард из
Германии разработал шестиразрядную вычислительную машину. Это
изобретение было практически неизвестно, и долгие годы считалось, что
первую
механическую
счетную
машину
—
«Паскалину»
построил
французский ученый Блез Паскаль в 1642 г. Она была механической с
ручным приводом и могла выполнять операции сложения и вычитания.
Немецкий
математик
Готфрид
Лейбниц
в
1672
г.
построил
механическую машину, которая могла делать также операции умножения и
деления.
В 1830 году английский ученый Ч. Беббидж предложил идею первой
программируемой
вычислительной
машины,
которую
он
назвал
«аналитической машиной».
Работающую по программе машину, английский учёный Чарльз
Бэббидж разработал в 1834 г. Она содержала запоминающее устройство,
вычислительное устройство, устройство ввода с перфокарт и печатающее
устройство. Впоследствии американский ученый Джон фон Нейман развил
идеи
Беббиджа
при
создании
первой
программно
управляемой
5
вычислительной машины. Команды считывались с перфокарты и выполняли
считывание данных из памяти в вычислительное устройство и запись в
память результатов вычислений. Все устройства машины Бэббиджа, включая
память, были механическими и содержали тысячи шестеренок, при
изготовлении которых требовалась точность, недоступная в XIX веке.
Машина реализовала любые программы, записанные на перфокарте,
поэтому, впервые для написания таких программ потребовался программист.
Первым программистом была англичанка Ада Лавлейс, в честь которой уже
в наше время был назван язык программирования Ada.
Августа Ада Лавлейс — дочь знаменитого поэта Байрона. Она также
разработала основные принципы программирования — выполнение команд
при каком-либо условии и многократное повторение последовательности
команд.
Идею применения перфокарт реализовал американский инженер
Герман Холлерит. В 1888 году он изобрел машину для обработки
результатов
переписи
населения
—
табулятор.
Это
была
первая
электромеханическая счетная машина, которая значительно превышала
возможности
арифмометра
вычислительных
машин.
и
стала
Впервые
предшественником
табулятор
был
современных
использован
при
проведении 11-й американской переписи населения в 1890 году и имел
феноменальный успех. Для обработки результатов предыдущей переписи
населения было привлечено 500 человек, которые работали в течение 7 лет, а
Холлерит, используя 43 табулятора с операторами, справился за 4 недели.
В 1896 году Холлерит основал фирму, которая известна по сей день как
IBM.
В 1930 году американец Ванневар Буш построил дифференциальный
анализатор — первый электромеханический аналог компьютера, который
использовался во время второй мировой войны для наводки орудий.
6
Эта машина была способна решать сложные математические задачи, но
состояла из огромного количества деталей. Дифференциальный анализатор
1942 году выпуска весил 200 тонн!
В 1936 году немецкий инженер Конрад Цузе построил небольшой
компьютер на основе электромеханических реле и двоичной системы
счисления. Эта Машина получила название Zuse 1. Первая действующая
модель программно управляемого компьютера на реле полнилась в 1941 году
И называлась Znse 3.
С 1942 года в компьютерах стали применяться электронные лампы, что
значительно увеличило скорость работы и надежность машин. В 1944 году
профессором Говардом Айкнемом на одном из предприятии фирмы IBM по
заказу военного ведомства был создан первый в мире цифровой компьютер
«Марк-1». В этом устройстве использовалось сочетание электрических
сигналов и механических приводов. Размеры: 15x2,5 м, 750 000 деталей.
Компьютер мог перемножить два 23-разрядных числа за 4 секунды.
Самый первый электронный компьютер был разработан Джоном
Атанасовым и Карлом Берри, на основе которого в 1946 году инженеры
Джон Эккерт и Джон Мочли в университете Пенсильвании построили
первый полностью электронный компьютер, который назвали «Эниак». Он
уже выполнял 5000 операций сложения и 300 операций умножения в
секунду. Размеры: 30 м в длину, объем — 85 м3, вес — 30 тонн.
Использовалось 18 тыс. электронных ламп, размеры которых были очень
внушительны
В нашей стране первая вычислительная машина была разработана в
1951 году профессором В.А. Лебедевым. Она называлась «МЭСМ-1». В 1953
году был создан советский компьютер БЭСМ.
В1949 году появилась первая машина с хранимой в памяти
программой, «Эдсак». Именно в этом компьютере впервые и были
применены идеи Джона фон Неймана. В 1951 году создали первый серийный
компьютер «Юнивак», в котором впервые была использована для записи и
7
хранения информации магнитная лента. Разработчиками этого проекта были
Д.Эккерт и Д. Мочли, которые построили компьютер «Эниак».
С началом промышленного производства компьютеров наступила
новая эпоха в истории развития человечества.
В XX в. начала развиваться электроника и ее возможности немедленно
взяли на вооружение разработчики вычислительных машин. С построения
вычислительных машин, базовая система элементов которых была построена
на электронных компонентах, начинается отсчет поколений цифровых
вычислительных машин.
В 1965 году председатель совета директоров компании «Интел» Гордон
Мур предположил, что количество элементов на интегральных микросхемах
должно удваиваться каждые 18 месяцев. В дальнейшем это правило,
известное как закон Мура, было применено к скорости микропроцессоров и
до сих пор не нарушалось.
В 1969 году компания «Интел» выпустила первый микропроцессор.
Микропроцессор
представляет
собой
интегральную
микросхему
с
собственной системой команд. Конструкция микропроцессора позволяет
применять его для решения широкого круга задач, создавая при этом
различные функциональные устройства. Использование микропроцессоров
значительно упростило конструкцию компьютера. Практически сразу
микропроцессоры получили широкое применение в различных системах
управления от космических аппаратов до бытовых приборов.
Одновременно с микропроцессорами появились микрокомпьютеры, и
персональные компьютеры, отличительной особенностью которых стали
небольшие размеры и низкая стоимость.
Одним из пионеров в производстве персональных компьютеров была
компания Apple. Ее основатели Стив Джобс и Стив Возняк собрали первую
модель персонального компьютера в 1976 году и назвали ее Apple.
В 1981 году крупнейшая компьютерная компания IBM представила
свой первый персональный компьютер – IBM PC. В течение двух лет было
8
продано более пяти миллионов этих компьютеров. В то же время компания
Microsoft начинает выпуск программного обеспечения для IBM PC.
Появляются клоны IBM PC, так называемые IBM PC совместимые, но все
они, так или иначе, отражают стандарты, заложенные IBM. Появление
клонов IBM PC способствовало росту промышленного производства
персональных компьютеров.
В 1984 году компания Apple представила компьютер «Макинтош».
Операционная система «Макинтош» включала в себя графический интерфейс
пользователя.
Компьютеры стали символом прогресса в ХХ веке. По мере того, как
человеку понадобиться обрабатывать все большее количество информации,
будут совершенствоваться и средства обработки.
Отметим, что деление периода развития цифровой техники на этапы
связано, в основном, с переводом базовой системы элементов на новые
технологии производства электронных компонентов.
Первое поколение ЭВМ (1945-1955 гг.)
В основе базовой системы элементов этого поколения компьютеров
лежали электронные лампы. Электронные лампы работали с напряжениями в
десятки вольт и расходовали много энергии, кроме того, размер электронных
ламп, по современным понятиям микроэлектроники, был огромным —
несколько
десятков
кубических
сантиметров.
Для
построения
вычислительной машины нужны были тысячи логических элементов,
поэтому размер ламповых вычислительных машин по занимаемой площади
составлял десятки квадратных метров, а потребляемая мощность колебалась
в пределах от единиц до десятков и даже сотен киловатт. Скорость обработки
информации в ламповых машинах колебалась от нескольких сотен до
нескольких тысяч операций в секунду. Программированием для машин
первого поколения велось в кодах.
9
Второе поколение ЭВМ (1955-1965 гг.)
Новая элементная база для компьютеров на основе транзисторов.
Значительное уменьшение габаритов, снижение потребляемой мощности и
стоимости позволило создавать архитектуры компьютера с большими
функциональными
возможностями,
резко
повысить
быстродействие
компьютеров до сотен тысяч и даже миллионов операций в секунду.
Увеличение производительности обеспечивалось как за счет более высокой
скорости работы транзисторов по сравнению с электронными лампами, так и
путем
введения
в
состав
вычислительной
машины
нескольких
обрабатывающих устройств, работающих параллельно. Площадь, требуемая
для размещения компьютера, снизилась до нескольких квадратных метров,
предпринимались попытки изготавливать и настольные варианты. Снижение
стоимости увеличило число потенциальных пользователей компьютеров.
Появились крупные фирмы по производству компьютеров широкого
назначения: International Business Machines (IBM); Control Data Corporation
(CDC); Digital Equipment Corporation (DEC). Для программирования
используются алгоритмические языки.
Третье поколение ЭВМ (1965-1980 гг.)
На основе ИС строились мини-ЭВМ, которые выполнялись в виде
одной стойки и периферийных устройств. Мощность, потребляемая
компьютером
быстродействия
на
ИС,
уменьшилась
до
сотен
ватт.
Увеличение
узлов,
построенных
на
ИС,
позволило
довести
быстродействие компьютеров до десятков миллионов операций в секунду.
Электронная промышленность приступила к массовому производству
электронных компонентов на ИС, что позволило снизить их стоимость и
резко уменьшить стоимость аппаратной составляющей компьютеров.
Используется многослойный печатный монтаж. Уменьшение стоимости
привело к разработке и практической реализации мощных вычислительных
10
систем, использующих параллельную обработку: многопроцессорные и
конвейерные вычислители. Стал возможен доступ с удаленных
терминалов.
Четвертое поколение ЭВМ (с 1980-х годов)
Микроминиатюризация электронных устройств привела к появлению
новой
отрасли
последние
промышленности
научно-техпические
—
Используя
микроэлектроники.
достижения
физики,
химии,
кристаллографии, материаловедения и даже космонавтики (в невесомости
можно получить полупроводниковые кристаллы очень высокой чистоты),
добились размещения на одном кристалле размером несколько квадрратных
миллиметров сначала сотен, затем тысяч и, наконец, миллионов транзисторов
и других электронных компонентов.
Теперь полупроводниковая схема содержала уже не набор нескольких
логических элементов, из которых строились затем функциональные узлы
компьютера, а целиком функциональные узлы и, в первую очередь
процессор,
который,
микропроцессор,
учитывая
устройства
его
размеры,
управления
получил
внешними
название
устройствами
—
контроллеры внешних устройств. Такие интегральные схемы получили
название
сначала
больших
интегральных
схем
(БИС),
а
затем
и
сверхбольших интегральных схем (СБИС).
Итогом такого бурного развития микроэлектроники стало появление
одноплатных ЭВМ, где на одной плате, размером несколько десятков
квадратных сантиметров, размещались несколько СБИС, содержащих все
функциональные
блоки
компьютера.
Одноплатные
компьютеры
встраивались в различные промышленные, медицинские и бытовые приборы
для
оперативной
обработки
информации
и
управления.
Стоимость
одноплатных компьютеров так упала, что появилась возможность их
приобретения отдельными людьми. Такой возможностью воспользовались
английские инженеры Стив Джобс и Стив Возняк. Используя выпускаемые
11
промышленностью функциональные узлы: плата микро-ЭВМ с процессором
и памятью, клавиатура, дисплей, они собрали дешевую настольную
вычислительную машину — микрокомпьютер. Его привлекательность для
непрофессиональных пользователей заключалась в том, что это было готовое
к употреблению устройство, содержащее все необходимое оборудование и
программное обеспечение для работы. Этот микрокомпьютер получил
название Apple и стал первым в мире персональным компьютером.
Персональными
распространение на
компьютерами,
которые
получили
большое
компьютерном рынке, заинтересовалась крупная
компания, занимавшаяся выпуском мощных вычислительных систем — IBM,
и решила наладить выпуск своей модели персонального компьютера.
Совместно с фирмой Intel, разработавшей микропроцессорный комплект, и
фирмой Microsoft, которая оснастила компьютер операционной системой MS
DOS, IBM создала персональный компьютер IBM PC. Значительный
потенциал фирмы IBM позволил в короткие сроки произвести огромное
количество таких компьютеров. Их привлекательная для покупателей цена и
некоторые новшества, например, больший, по сравнению с выпускавшимися
в то время персональными компьютерами других фирм, объем оперативной
памяти,
позволили
компьютеру
IBM
PC
стать
самой
популярной
компьютеров,
пока
«персоналкой» в мире.
Пятое поколение ЭВМ (конец 20-го века)
Началась
разработка
интеллектуальных
не
увенчавшаяся успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их
объединение,
использование
распределенной
обработки
данных,
повсеместное применение компьютерных информационных технологий.
Шестое поколение ЭВМ (начало 21-го века)
Нейрокомпьютеры относятся к шестому поколению электронновычислительных
машин.
Основная
идея
нейрокомпьютинга
была
12
позаимствована из биологии. Нейрокомпьютеры состоят из множества
работающих параллельно простых вычислительных элементов, которые
называют нейронами. Нейроны образуют так называемые нейросети. Каждый
нейрон выполняет довольно простые функции, но так как он связан в
среднем с 1 - 10 тыс. других нейронов, такой коллектив успешно
обеспечивает работу человеческого мозга. Именно по такому принципу
построены нейрокомпьютеры.
Архитектура вычислительных систем
Архитектура ЭВМ - концепция, определяющая модель, общую
организационную структуру, выполняемые функции, взаимосвязь устройств,
методы кодирования обрабатываемых данных в ЭВМ. Понятие архитектуры
ЭВМ является комплексным и включает в себя:

структурную схему ЭВМ;

средства и способы доступа к элементам структурной схемы

организацию и разрядность интерфейсов ЭВМ;

набор и доступность регистров;

организацию и способы адресации памяти;

способы представления и форматы данных ЭВМ;

набор машинных команд;

форматы машинных команд;

обработку нештатных ситуаций (прерываний).
ЭВМ
Таким образом, архитектура ЭВМ – это воплощенная в аппаратуре и
базовых программных средствах основа для выполнения программируемого
процесса обработки данных.
Современная классификация ЭВМ
Существует
несколько
видов
значимыми являются классификации:
классификации
ЭВМ.
Наиболее
13

по степени универсальности;

по способам использования;

по степени производительности;

по особенностям архитектуры.
По степени универсальности выделяют:

ЭВМ общего назначения (универсальные);

специализированные (встроенные) ЭВМ.
ЭВМ общего назначения могут использоваться для решения любых
задач обработки данных.
Специализированные (встроенные) ЭВМ – это ЭВМ, предназначенные
для решения ограниченного круга задач. Обычно специализированные ЭВМ
используются для управления сложными техническими устройствами.
Каждая специализированная ЭВМ рассчитана на решение ограниченного
круга задач и, как правило, не может использоваться вне того устройства, в
которое встроена. Такие ЭВМ встраиваются в системы автоматического
управления сложными устройствами или технологическими процессами на
производстве, транспорте, связи, военном деле и т.д.; часто встраиваются в
бытовые устройства.
По
способам
использования
выделяют:
ЭВМ
коллективного
использования и ЭВМ индивидуального использования.
ЭВМ коллективного использования – это ЭВМ, предназначенные для
обслуживания одновременной работы нескольких пользователей. ЭВМ
коллективного использования обычно имеют существенно более высокую
производительность,
чем
ЭВМ
индивидуального
использования,
и
выступают в качестве серверов компьютерных сетей (сетевых серверов).
ЭВМ индивидуального использования - это ЭВМ, способные в каждый
момент времени обеспечить эксплуатацию только со стороны единственного
пользователя.
По степени производительности различаются:
14

ЭВМ ординарной производительности;

ЭВМ высокой производительности;

ЭВМ сверхординарной производительности (супер-ЭВМ).
Деление по степени производительности является очень условным.
ЭВМ, которые несколько лет назад относились к классу ЭВМ высокой
производительности,
сегодня
являются
ЭВМ
ординарной
производительности.
ЭВМ ординарной производительности - предназначены для решения
рядовых задач индивидуальных пользователей или обслуживания малых
компьютерных сетей. Массовые персональные компьютеры являются ЭВМ
ординарной производительности.
ЭВМ высокой производительности - одно- или многопроцессорные
ЭВМ, предназначенные для обслуживания компьютерных сетей среднего и
большого размера или индивидуального применения при решении задач
повышенной сложности.
ЭВМ
сверхординарной
многопроцессорные
ЭВМ,
производительности
предназначенные
для
(супер-ЭВМ)
решения
–
задач
чрезвычайной сложности. Основными приложениями супер-ЭВМ являются
обслуживание очень больших компьютерных сетей, моделирование ядерных
реакций, исследование структуры ДНК, управление сложными военными и
космическими объектами, криптография, метеорология.
Супер-ЭВМ имеют десятки, сотни и даже тысячи процессоров, ОЗУ до
нескольких десятков Тбайтов, емкость ВЗУ до нескольких Пбайтов,
обеспечивают
возможность
подключения
большого
числа
внешних
устройств, а их стоимость составляет от сотен тысяч до десятков миллионов
долларов. Они практически всегда имеют уникальную архитектуру и
проектируются
использованию
по
специальному
для
решения
заказу,
часто
определенного
применительно
класса
к
задач.
Производительность супер-ЭВМ уже измеряется в единицах терафлопс – 240
операций в секунду над числами с плавающей запятой.
15
С точки зрения производительности следует рассматривать не только
отдельно взятые ЭВМ, но и их совместно функционирующие конгломераты.
Часто несколько ЭВМ объединяются в кластеры. Кластер - совокупность
ЭВМ,
совместно
используемых
для
обеспечения
необходимой
производительности при решении задач повышенной сложности.
Высокой производительности компьютерной системы можно достичь
при
совместном
функционировании
даже
ЭВМ
ординарной
производительности. Сложная задача разделяется на небольшие части,
каждая часть решается на ЭВМ ординарной производительности, потом
результаты решения объединяются (компьютерная графика в кинофильмах –
покадровая обработка, криптография). Но не все задачи можно разделить на
такие части, некоторые задачи нужно решать в реальном масштабе времени.
Поэтому конгломераты ЭВМ малой и средней производительности в
обозримом будущем не смогут заменить супер-ЭВМ.
По особенностям архитектуры выделяются:

сетевые компьютеры;

мэйнфреймы;

мини-ЭВМ;

персональные ЭВМ (микро-ЭВМ);

портативные (мобильные) устройства.
Строгого определения указанных классов дать нельзя.
Мэйнфрейм
–
производительности,
высокопроизводительных
ЭВМ
высокой
использующая
процессоров,
или
один
сверхординарной
или
несколько
обеспечивающая
подключение
большого числа внешних устройств и предназначенная для обслуживания
большого числа пользователей при осуществлении ими сложной обработки
больших объемов данных. Основные их характеристики:

один или несколько высокопроизводительных процессоров;

ОЗУ от нескольких до нескольких сотен Гбайтов;
16

высокопроизводительные каналы ввода-вывода;

емкость ВЗУ - до десятков Тбайтов;

допускают подключение сотен устройств ввода-вывода;

имеют стоимость от десятков тысяч до нескольких миллионов
долларов;

почти всегда выступают в качестве ЭВМ коллективного
пользования.
Основное назначение мэнфреймов на текущий момент – обслуживание
больших компьютерных сетей. В США установлено более 40 тыс.
мэйнфреймов, и в их базах данных хранится 70% информации крупных
корпораций. В России используется порядка 5 тыс. мэйнфреймов.
Мини-ЭВМ
–
производительности,
ЭВМ
высокой
использующая
или
один
сверхординарной
или
несколько
высокопроизводительных процессоров, предназначенная для управления
крупными компьютерными сетями или решения задач высокой сложности
при индивидуальном использовании.
Чаще всего используются как серверы средних и больших сетей, но
нередко применяются как индивидуально используемые ЭВМ для решения
задач повышенной сложности. В последнем случае их часто называют
высокопроизводительными рабочими станциями.
Под высокопроизводительными рабочими станциями обычно
понимаются индивидуально используемые мини-ЭВМ, применяющие так
называемые RISC-процессоры или разновидность операционной системы
Unix. В последнее время многие производители высокопроизводительных
станций все чаще начинают использовать СISC-процессоры Intel и ОС
Windows NT/2000.
Высокопроизводительные рабочие станции обычно используются для
решения сложных инженерных задач (автоматизированное проектирование),
научных и экономических задач, требующих большого объема вычислений, в
компьютерном
дизайне,
в
кинематографии
и
т.д.
Грань
между
17
высокопроизводительными рабочими станциями и персональными ЭВМ
быстро стирается. Теперь многие из перечисленных задач можно решать и с
помощью компьютеров, традиционно относимых к классу персональных
ЭВМ.
Исторически мини-ЭВМ возникли в начале 70-х годов как более
дешевое
решение,
рассчитанное
на
средние
фирмы
в
противовес
дорогостоящим мэйнфреймам, которые были доступны только крупным
богатым
организациям.
мэйнфреймы,
До
последнего
поскольку
имели
времени
активно
лучшее
вытесняли
соотношение
производительность/цена.
Основные их характеристики:

один или несколько высокопроизводительных процессоров;

обычно используют ту или иную разновидность ОС Unix;

ОЗУ до десятков и сотен Гбайтов;

емкость ВЗУ до нескольких сотен Гбайтов;

обычно допускают подключение меньшего, чем мэйнфреймы,
числа внешних устройств;

имеют стоимость от нескольких тысяч до нескольких миллионов
долларов.
Персональные
ЭВМ
(ПЭВМ,
ПК,
PC)
–
ЭВМ
ординарной
производительности, допускающие использование относительно небольшого
числа устройств ввода-вывода.
Термин «персональный компьютер» используется, чтобы указать на то,
что это ЭВМ, архитектура которой ориентирована главным образом на
индивидуальное использование. Однако ПК часто используются и в качестве
сетевых серверов для управления относительно небольшими сетями (ПКсерверы). Персональные ЭВМ разделяют на стационарные и портативные.
Стационарные ПК (настольные ПК, desktop PC) предназначены для
использования в условиях подключения к стационарной электрической сети.
18
Портативные ПК (мобильные ПК) имеют небольшие размеры, малый вес и
могут использоваться как при стационарном, так и при автономном
электропитании.
Различают
портфельные
(ноутбуки,
субноутбуки-notebooks,
subnotebooks) и карманные (КПК, PDA, Pocket PC) портативные ПK.
Карманные и часть портфельных ПК с точки зрения особенностей
архитектуры
относятся
к
особому
классу
мобильных
устройств.
Традиционные ноутбуки и субноутбуки также являются мобильными
устройствами, но с учетом основных особенностей архитектуры идентичны
настольным ПК.
Сейчас 92-93% рынка настольных и портативных портфельных ПК
приходятся на так называемые IBM-совместимые ПК. Их производят тысячи
фирм-производителей во всем мире. Основные производители: Hewlett
Packard, Dell, IBM. В них используются процессоры Intel или совместимые с
ними. 5-6% рынка приходятся на ПК фирмы Apple Computer. Эти ПК имеют
иную аппаратную платформу, основаны на других процессорах. В основном
они применяются в издательском деле и профессиональными художниками.
Своей популярностью IBM-совместимые ПК обязаны так называемой
открытой архитектуре. Открытая архитектура – совокупность общепринятых
стандартов
организации
взаимодействия
различных
устройств
ЭВМ.
Позволяет собирать ПК из готовых комплектующих, произведенных
различными производителями.
Сетевые компьютеры – это ЭВМ, предназначенные только для
использования в компьютерной сети. Они не имеют ВЗУ и загружают
программы с сетевого сервера. Исполнение программ происходит на самом
сетевом компьютере, но программы и обрабатываемые ими данные хранятся
на сетевом сервере. Этим они принципиально отличаются от традиционных
ПК, загружающих ОС и прикладные программы с собственных дисков.
Идея
создания
и
применения
сетевых
компьютеров
возникла
относительно недавно. Ее выдвинули и поддерживали компании, не
19
желающие
мириться
с
фактической
монополией
Intel
и
Microsoft
Достоинство сетевых компьютеров в том, что их легче администрировать,
поскольку все программы хранятся в единственном экземпляре на сетевом
сервере. Недостаток в том, что вне сети они не могут функционировать. К
сожалению, идея не получила должного распространения.
Мобильные устройства. Точного определения понятия «мобильные
устройства» нет. В широком смысле к мобильным устройствам относятся все
разновидности цифровых переносных устройств. В более узком понимании
мобильными устройствами называют переносные ПК. Как уже говорилось,
ноутбуки и субноутбуки по своей архитектуре практически идентичны
обычным настольным ПК. Как отдельную группу мобильных устройств
следует рассматривать карманные компьютеры (КПК), которые имеют
особую архитектуру, используют свои типы процессоров. Они разделяются
на клавиатурные (Hand Held PC) и бесклавиатурные (Palm Top PC).
В отличие от настольных и портативных портфельных ПК КПК не
имеют
электромеханических
компонентов.
Основные
используемые
программы записаны в ПЗУ, а файлы с данными размещаются в основной
памяти. Основными программными платформами являются Pocket Windows
и Palm OS. Реже используется ОС EPOC.
В последнее время наблюдается большой рост интереса к КПК.
Становится популярной идея объединения в КПК нескольких устройств:
собственно КПК, мобильного телефона, цифровой камеры, диктофона,
приемника, МРЗ-плеера. Для них используется термин «смартфон»,
обозначающий гибрид мобильного телефона и КПК.
Современные информационные технологии. Уровни
представления информационных технологий. Интерфейсы в
информационных технологиях.
Эта лекция подводит итог проведенной со студентами дискуссии. И определяет
важность понятия интерфейс в развитии информационных технологий.
Сегодня говорят не просто об информационных технологиях, а о
современных или новых информационных технологиях (НИТ). Их основу
составляют пять технических достижений:
1. Появление
новой
среды
накопления
информации
на
машиночитаемых носителях.
2. Развитие средств связи, обеспечивающих доставку информации
практически в любую точку земного шара без существенных ограничений во
времени и расстоянии, широкий охват населения средствами связи.
3. Динамичное
развитие
микропроцессорной
техники,
обеспечивающей возможность цифровой обработки информации.
4. Возможность
автоматизированной
обработки
информации
с
помощью компьютера по заданным алгоритмам.
5. Возникновение и бурное развитие сети Интернет.
Итак, новыми информационными технологиями обучения будем
называть
совокупность
электронных
средств
и
способов
их
функционирования, используемых для реализации обучающей деятельности.
Технологии,
которые
микропроцессорной
существовали
техники,
до
появления
вычислительной,
будем
называть
традиционными
информационными технологиями. Они по-прежнему успешно применяются в
образовании
и
вряд
ли
будут
полностью
вытеснены
новыми
информационными технологиями.
Что
же
является
целью
информационной
технологии?
Цель
информационной технологии – производство информации, удовлетворяющей
1
информационные потребности человека. Чаще всего эти потребности
связаны с принятием решений в таких сферах, как познание, общение,
практическая (производственная) деятельность. В этой же работе отмечается,
что отличительной особенностью технологии является то, что применение
одной и той же технологии к одинаковому исходному «сырью» дает в
результате «продукт» одного и того же качества. С другой стороны,
применяя разные технологии к одному и тому же ресурсу, можно получить
разные продукты.
Подобно тому, как в материальной технологии выделяются ее
составляющие
(материаловедение,
проектирование,
производственные
процессы, инструментарий, техника безопасности и охрана труда, теория
управления предприятием), так и информационную технологию можно
разделить на части: теория информации, моделирование и формализация,
информационные процессы, информационные системы, информационная
безопасность и информационное управление.
Информационная технология, как и любая другая, должна отвечать
следующим требованиям:
• обеспечивать
высокую
степень
разделения
всего
процесса
обработки информации на этапы, операции, действия;
• включать весь набор элементов, необходимых для достижения
поставленной цели;
• иметь
регулярный
технологического
процесса
унифицированы,
что
характер.
могут
позволит
Этапы,
быть
более
действия,
операции
стандартизированы
эффективно
и
осуществлять
целенаправленное управление информационными процессами.
На сегодняшний день существуют различные подходы к проблеме
классификации
информационных
технологий.
Приведем
несколько
классификаций. Выделяются следующие виды информационных технологий:
2
• информационная технология обработки данных,
• информационная технология управления,
• автоматизация офиса,
• информационная технология поддержки принятия решений,
• информационная технология экспертных систем.
Информационные технологии подразделяют на различные виды
следующим образом:
• функционально-ориентированные
информационные
технологии,
предназначенные для реализации определенных задач,
• предметно-ориентированные
информационные
технологии,
предназначенные для решения конкретных задач в определенной предметной
области,
• проблемно-ориентированные
информационные
технологии,
предназначенные для решения типовых прикладных задач.
Рассмотрим классификацию, которая составлена в зависимости от
формы представления обрабатываемой информации:
• технологии обработки текстовой информации,
• технологии обработки числовой информации,
• технологии обработки графической информации,
• технологии обработки звуковой информации,
• технологии работы в глобальных сетях,
• социальные информационные технологии.
Выбор данной классификации объясняется тем, что сложилась
традиция
обучать
школьников
и
студентов
именно
этим
видам
информационных технологий.
Итак, рассмотрим, как происходила информатизация общества.
3
В истории человеческого общества несколько раз происходили
радикальные изменения и в информационной области, которые можно
назвать информационными революциями.
Первая информационная революция была связана с изобретением
письменности.
Письменность
создала
возможность
накопления
и
распространения знаний, для передачи знаний будущим поколениям.
Цивилизации, освоившие письменность, развивались быстрее других,
достигали более высокого культурного и экономического уровня. Примерами
могут служить Древний Египет, страны Междуречья, Китай. Позднее
переход от пиктографического и идеографического письма к алфавитному,
сделавший письменность более доступной, в значительной
степени
способствовал смещению центров цивилизации в Европу (Греция, Рим).
Вторая информационная революция (середина XVI в.) была связана с
изобретением книгопечатания. Стало возможным не только сохранять
информацию, но и сделать ее массово-доступной. Грамотность становится
массовым явлением. Все это ускорило рост науки и техники, помогло
промышленной революции. Книги перешагнули границы стран, что
способствовало началу создания общечеловеческой цивилизации.
Третья информационная революция (конец XIX в.) была обусловлена
прогрессом средств связи. Телеграф, телефон, радио позволили оперативно
передавать информацию на любые расстояния. Эта революция не случайно
совпала с периодом бурного развития естествознания.
Четвертая информационная революция (70-е гг. XX в.) связана с
появлением микропроцессорной техники и, в частности, персональных
компьютеров.
Вскоре
после
этого
возникли
компьютерные
телекоммуникации, радикально изменившие системы хранения и поиска
информации. Были заложены основы преодоления информационного
кризиса.
4
Четвертая
информационная
революция
дала
толчок
к
столь
существенным переменам в развитии общества, что для его характеристики
появился новый термин «информационное общество».
Название впервые возникло в Японии. Специалисты, предложившие
этот термин, разъяснили, что он определяет общество, в котором в изобилии
циркулирует высокая по качеству информация, а также есть все необходимые
средства для ее хранения, распределения и использования. Информация
легко и быстро распространяется по требованиям заинтересованных людей и
организаций и выдается им в привычной для них форме. Стоимость
пользования информационными услугами настолько невысока, что они
доступны каждому.
Будем
понимать
под
термином
«информационное»
(«компьютеризированное») общество то, во все сферы жизни и деятельности
членов которого включены компьютер, телематика, другие средства
информатики в качестве орудий интеллектуального труда, открывающих
широкий доступ к сокровищам библиотек, позволяющих с огромной
скоростью производить вычисления и перерабатывать любую информацию,
моделировать реальные и прогнозируемые события, процессы, явления,
управлять производством, автоматизировать обучение и т. д.
Термин «телематика» означает обработку информации на расстоянии.
Проследим более детально существующие тенденции в развитии
информационного общества. Однако вначале отметим, что в настоящее
время ни одно государство не находится в этой стадии. Ближе всех к
информационному обществу подошли США, Япония, ряд стран Западной
Европы.
Следует обратить внимание на то, что сегодня все больше людей в
обществе заняты работой с информацией. Информация позволяет человеку
познавать мир, ощущать себя его частью, общаться с другими людьми,
воспитывать детей, решать бытовые проблемы, заниматься различного рода
деятельностью, творческим трудом. С помощью информации организуется
5
совместный труд людей на предприятиях, образуются их профессиональные
союзы и общества. Информация является основой деятельности органов
законодательной,
исполнительной
и
судебной
власти,
системы
государственного управления.
Информационное общество – общество, в котором большинство
работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией
информации, особенно высшей ее формой – знаний. Движущей силой
развития общества должно стать производство не материального, а
информационного
продукта.
Материальный
продукт
станет
более
информационно емким, что означает увеличение доли инноваций, дизайна и
маркетинга в его стоимости.
Согласно мнению ряда специалистов, США завершат в целом переход
к информационному обществу к 2020 году, Япония и большинство стран
Западной Европы к 2030-2040 годам.
Переход к информационному обществу сопровождается переносом
центра тяжести в экономике с производства материальных благ (товаров) на
оказание услуг, что влечет за собой значительное снижение добычи и
переработки сырья и расхода энергии.
Итак, подведем итоги:
Информационная технология – это система методов и способов
сбора, хранения, обработки и передачи данных средствами вычислительной
техники, а также принципы функционирования этих средств и методы
управления ими.
Особенностью
традиционными
информационных
технологиями
является
технологий
качественно
по
сравнению
иная
сфера
с
их
приложения. Прежде всего, это связано с их универсальным характером. Это
вызывает сложности, возникающие при создании формальных описаний
информационных технологий. Традиционно выделяют несколько уровней
представления информационных технологий: Основные:
 Концептуальное;
6
Рассматривают общее содержание информационных процессов и
структуры предметной области.
 Логический;
Происходит формализация информационных процессов и разработка
модели предметной области и системообработки информации.
 Физический;
Рассматриваются способы реализации информационных процессов,
аппаратные, программные средства, средства связи, которые реализуют
процессы, методы и модели, выделенные на концептуальном и логическом
уровне.
Кроме основных уровней определяют также следующие:
 на уровне информационных потоков;
 на уровне инструментальных средств;
 и другие.
Общая схема цикла информационного процесса, который должен
охватываться соответствующими технологиями, приведена на рисунке 1.
Результатом развития информационных технологий стали процессы
глобальной информатизации общества.
Основной
задачей
информационных
технологий
является
систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными
средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в
выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных
технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в
методическом обеспечении новых технологических исследований.
7
Входная
Внутренняя
Выходная
Осведомляющая
Плановая
Директивная
Управляющая
Нормативносправочная
Первичная
Отчетная
(статистическая)
Учетная
Рисунок 1 - Структурная схема цикла информационного процесса
Итак, информационные технологии составляют следующие понятия:
 Аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
 Программное обеспечение средств вычислительной техники;
 Средства
взаимодействия
аппаратного
и
программного
человека
аппаратными
обеспечения;
 Средства
взаимодействия
с
и
программными средствами.
Как видно в информационных технологиях особое внимание уделяется
вопросам взаимодействия. Для этого даже введено специальное понятие –
интерфейс.
Методы
и
средства
взаимодействия
отдельных
компонентов
вычислительной среды называются интерфейсом. Выделяют следующие
виды интерфейсов в вычислительной среде.
Пользовательский
интерфейс
–
взаимодействие
человека
с
аппаратными и программными средствами.
Аппаратный интерфейс – взаимодействие отдельных аппаратных
компонентов между собой.
Программный интерфейс – взаимодействие отдельных программных
средств.
8
Аппаратно-программный интерфейс – совокупность взаимодействия
программных и аппаратных средств.
Основной
задачей
информационных
технологий
является
систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными
средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в
выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных
технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в
методическом обеспечении новых технологических исследований.
9
Логические основы ЭВМ
Изучив материал, студент должен знать:
логические основы работы ЭВМ.

Изучив материал, студент должен уметь:

строить логические схемы.
Представление информации в технических устройствах
В основу любого устройства, предназначенного для преобразования
или хранения информации, должен быть положен принцип ее представления,
то есть ее физический носитель. Известны, например, механические
устройства, в которых информация представляется углами поворота или
перемещения объектов относительно друг друга. Так как автоматизация
процесса обработки информации всегда являлась важной задачей для
дальнейшего прогресса промышленности и науки, предлагались устройства,
принцип представления информации в которых зависел от уровня развития
техники: механические устройства с ручным, а затем с паровым приводом,
электромеханические, электрические устройства и, наконец, электронные
устройства. Последние получили широкое распространение и за 30-40 лет
вытеснили устройства других типов. Исключение составляют случаи, когда
преобразование информации требует наличия движущихся объектов,
например, лентопротяжные или дисковые механизмы памяти больших
объемов, исполнительные механизмы и приводы, и некоторые другие.
Преимущество использования электронных устройств обусловлено многими
факторами, главными из которых являются удобство преобразования и
передачи электрических сигналов, малая инерционность электронных
устройств и, следовательно, их высокое быстродействие.
Вычислительные устройства, использующие непрерывную форму
представления информации, называются аналоговыми вычислительными
машинами (АВМ). Вычислительные устройства, использующие дискретную
1
форму
представления,
называются
цифровыми
вычислительными
машинами (ЦВМ).
В настоящее время устройства, использующие непрерывный способ
представления информации, вытесняются более прогрессивными цифровыми
устройствами, даже из таких традиционно «аналоговых» областей, как
телевидение и телефония. Что касается непосредственно вычислительных
систем, то их развитие, начавшееся преимущественно с АВМ, постепенно
перешло к ЦВМ и к середине 70-х гг. прошлого столетия ЦВМ полностью
вытеснили АВМ.
В дальнейшем мы будем рассматривать только вычислительные
устройства с дискретным представлением информации, поэтому здесь
остановимся несколько подробнее на принципе построения и полезных
свойствах АВМ.
АВМ имели блочную структуру, т.е. представляли собой систему
связанных между собой базовых элементов. Связи между базовыми
элементами, их состав и количество изменялись для каждой задачи,
решаемой
на
АВМ.
В
качестве
базового
элемента
использовался
операционный усилитель, схема которого показана на рисунке 9.
Еос
Uвх1
Е1
Uвх1
Еn
>
Uвых
Рисунок 1 – операционный усилитель
Он состоит из усилителя, входных элементов (Е1, ..., Ел) и элемента
обратной связи (Еос). В качестве элементов используются радиоэлектронные
компоненты: резисторы, конденсаторы, индуктивности. В зависимости от
2
типов
элементов,
базовый
элемент
может
производить
сложение,
интегрирование, дифференцирование и некоторые другие операции над
входными напряжениями (Uвх1, ..., Uвхn), результат операции снимается в виде
выходного напряжения (Uвых). Основными достоинствами АВМ являлись
простота аппаратной реализации и высокая скорость получения решения.
Основным же недостатком являлась низкая точность результата, так как
радиоэлектронные компоненты, подвергаясь воздействиям внешней среды,
изменяли свои параметры, что и влияло на точность решения.
ЦВМ имеют гораздо более высокую сложность аппаратной и
программной реализации. Информация в них имеет определенные границы
представления, т.е. точность представления информации конечна. Для
расширения границ представления необходимо увеличивать аппаратную
часть или увеличивать время обработки. Основными достоинствами ЦВМ, а
в дальнейшем — компьютерных систем (КС) являются:

гарантированная точность результата, зависящая только от
границ представления данных;

универсальность — способность обрабатывать данные любыми
методами, представляемыми последовательностью простых арифметических
и логических операций;

возможность реализации большого числа известных численных
математических методов решения задач.
Базовая система элементов компьютерных систем
Компьютерные системы (КС) используют естественное представление
чисел в позиционной системе счисления, поэтому при построении базовых
элементов очень большое значение имеет выбор основания системы
счисления. Как уже говорилось выше, для построения цифровых устройств
была выбрана двоичная система счисления. Одним из преимуществ
двоичного представления являлось и то, что для проектирования устройств
3
можно было использовать мощный аппарат алгебры логики — булевых
функций.
При построении функциональных узлов КС используются элементы,
которые реализуют базовую систему логических функций. Одним из таких
базовых наборов является набор из трех функций: дизъюнкции (логическое
ИЛИ), конъюнкции (логическое И) и отрицание (логическое НЕ). На
рисунках 2-4 показаны условные обозначения базовых элементов. Используя
эти базовые элементы, строятся все функциональные узлы ЦВМ.
Х1
1
Y
Х2
Рисунок 2 – элемент «логическое ИЛИ»
&
Х1
Y
Х2
Рисунок 3 – элемент «логическое И»
Х
Y
Рисунок 4 – элемент «логическое НЕ»
4
Функциональные узлы компьютерных систем
Элемент памяти
Основой любого компьютера является ячейка памяти, которая может
хранить данные или команды. Основой любой ячейки памяти является
функциональное устройство, которое может по команде принять или выдать
один двоичный бит, а, главное, сохранять его сколь угодно долго. Такое
устройство называется триггер, или защелка. Оно строится на основе
базового набора логических схем. На рисунке 5 показана схема триггера.
1 &
0
S
0
Q
1
1
3
0
0
&
1
R
Q
2
1
4
Рисунок 5 – Схема триггера в состоянии хранения бита информации
Триггер собран на четырех логических элементах: два элемента
«логическое НЕ» (схемы 1 и 2) и два элемента «логическое И-НЕ» (схемы 3 и
4). Два последних элемента представляют собой комбинацию логических
элементов «логическое И» и «логическое НЕ». Такой элемент на входе
выполняет
операцию
логического
умножения,
результат
которой
инвертируется на выходе логическим отрицанием. Триггер имеет два выхода
Q и Q . Сигнал на выходе Q соответствует значению, хранящемуся в
триггере. Выход Q используется при необходимости получить инверсное
значение сигнала. Входы S и R предназначены для записи в триггер одного
бита со значением ноль или единица.
5
Рассмотрим состояние триггера во время хранения бита. Пусть в
триггер записан ноль (на выходе Q низкий уровень сигнала). Единица на
выходе схемы 4 и единица на выходе схемы 1 поддерживают состояние
(
)
выхода схемы 3 в состоянии нуля 1 ∧ 1 = 0 . В свою очередь, ноль на выходе
схемы 3 поддерживает единицу на выходе схемы 4
(0 ∧ 1 = 1). Такое
состояние может поддерживаться триггером бесконечно долго.
Для записи в триггер единицы подадим на вход S единицу рисунок 6.
0 &
1
S
1
Q
0
1
3
1
0
&
0
R
Q
2
1
4
Рисунок 6 – Запись в триггер единицы
На выходе схемы 1 получиться ноль, который обеспечит на выходе
схемы 3 единицу. С выхода схемы 3 единица поступит на вход схемы 4, на
(
)
выходе которой значение изменится на ноль 1 ∧ 1 = 0 . Этот ноль на входе
схемы 3 будет поддерживать сигнал на ее выходе в состоянии единицы.
Теперь можно снять единичный сигнал на входе S, на выходе схемы 3 все
равно будет высокий уровень. Т.е. триггер сохраняет записанную в него
единицу. Единичный сигнал на входе S необходимо удерживать некоторое
время, пока на выходе схемы 4 не появится нулевой сигнал. Затем вновь на
входе S устанавливается нулевой сигнал, но триггер поддерживает
единичный сигнал на выходе Q, т.е. сохраняет записанную в него единицу.
Точно так же, подав единичный сигнал на вход R, можно записать в триггер
ноль. Условное обозначение триггера показано на рисунке 7.
6
Регистры
Триггер служит основой для построения функциональных узлов,
способных
хранить
двоичные
числа,
осуществлять
их
синхронную
параллельную передачу и запись, а также выполнять с ними некоторые
специальные операции. Такие функциональные узлы называют регистрами.
S
Q
Т
R
Q
Рисунок 7 – Условное обозначение триггера
Х1
&
S
Т
&
Q
1
Хn
1
&
R
1
Q
S
Т
Q
&
Yn
n
n
R
«Запись»
Y1
«Cброс»
n Q
«Чтение»
Рисунок 8 – n-разрядный регистр хранения с синхронной записью и чтением
7
Регистр
представляет
собой
набор
триггеров,
число
которых
определяет разрядность регистра. Разрядность регистра кратна восьми битам:
8-, 16-, 32-, 64-разрядные регистры. Кроме этого в состав регистра входят
схемы управления его работой. На рисунке ??? приведена схема регистра
хранения. Регистр содержит n триггеров, образующих n разрядов. Перед
записью информации регистр обнуляется подачей единичного сигнала на
вход «Сброс». Запись информации и регистр производится синхронно
подачей единичного сигнала «Запись». Этот сигнал открывает входные
вентили (схемы «логическое И»), и на тех входах X1…….Xn, где
присутствует единичный сигнал, произойдет запись единицы. Чтение
информации из регистра также производится синхронно, подачей сигнала
«Чтение» на выходные вентили. Обычно регистры содержат дополнительные
схемы, позволяющие организовать такие операции, как сдвиг информации
(регистры сдвига) и подсчет поступающих единичных сигналов (регистры
счетчики).
Устройства обработки информации
Для обработки информации компьютер должен иметь устройство,
выполняющее основные арифметические и логические операции над
числовыми
данными.
Такие
устройства
называются
арифметико-
логические устройствами (АЛУ). В основе АЛУ лежит устройство,
реализующее арифметическую операцию сложения двух целых чисел.
Остальные
арифметические
операции
реализуются
с
помощью
представления чисел в специальном дополнительном коде. Сумматор АЛУ
представляет собой многоразрядное устройство, каждый разряд которого
представляет
собой
схему
на
логических
элементах,
выполняющих
суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из
предыдущего младшего разряда. Результатом является сумма входных
величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное
8
устройство называется одноразрядным, полным сумматором. Его условное
обозначение показано на рисунке 17.
Рассмотренные выше функциональные элементы являются основными
при построении схем компьютерных систем.
ai
Sum
Pi
bi
Pi-1
Si
Рисунок 9 – Условное обозначение полного
одноразрядного сумматора
9
1
Основные понятия алгебры логики. Простые и сложные высказывания.
Основные операции алгебры логики. Законы Морганы.
Изучив материал, студент должен знать:

основные понятия формальной логики;

высказывание и суждение;

истинность и ложность высказываний;

основные логические операции, таблицы истинности, логические формулы.
Изучив материал, студент должен уметь:
определять истинность и ложность высказываний;


применять логические операции;

представлять логические выражения в виде формул;

выполнять упрощение формул.
Для анализа и синтеза схем в ЭВМ при алгоритмизации и
программировании широко используется математический аппарат алгебры
логики (булевой алгебры).
Основное понятие булевой алгебры — выказывание. Высказывания
бывают простые и сложные.
Под
простым
высказыванием
понимается
повествовательное
предложение, в отношении которого имеет смысл утверждение о его
истинности или ложности. При этом считается, что высказывание
удовлетворяет закону исключенного третьего, т.е. каждое высказывание или
истинно или ложно и не может быть одновременно и истинным и ложным
(третьего не дано).
Высказывания обозначаются латинскими буквами и могут принимать
одно из двух значений: ЛОЖЬ (значение 0) или ИСТИНА (значение 1).
Например, содержание высказывания А: «дважды два равно четырем»
ИСТИНА А = 1, высказывание В: «три больше пяти» всегда есть ЛОЖЬ В=0,
а высказывание «сейчас идет снег» может быть истинным или ложным.
Два высказывания А и В называются равносильными, если они имеют
одинаковые значения истинности, записывается А = В.
Содержание высказываний учитывается только при введении их
буквенных обозначений, и в дальнейшем над ними можно производить
2
любые действия, предусмотренные алгеброй высказываний. Если над
исходными элементами алгебры выполнены некоторые разрешенные в
алгебре логики операции, то результаты операций также будут элементами
этой алгебры.
Сложное высказывание можно построить из простых с помощью
логических операций: отрицания, конъюнкции, дизъюнкции, импликации и
логических выражений, представляющих собой комбинации логических
операций. Рассмотрим их подробней.
Операцией отрицания А называют высказывание À (или –А, или ∀
говорят не А), которое истинно тогда, когда А ложно, и ложно тогда, когда А
истинно. Например, если событие А состоит в том, что «завтра экзамен», то
À
«завтра
НЕ
будет
экзамена»,
истинность
одного
утверждения
автоматически означает ложность второго. Отрицание — унарная (т.е. для
одного
операнда)
логическая
операция.
Ей
соответствует
языковая
конструкция, использующая частицу НЕ.
Это правило можно записать в виде следующей таблицы:
А
0
1
À
1
0
Такая таблица называется таблицей истинности.
Конъюнкцией (логическим умножением) двух высказываний А и В
является новое высказывание С, которое истинно только тогда, когда
истинны оба высказывания, записывается С = А∧В или С = А&В, или С =
А*В (при этом говорят С равно А И В). Например, пусть высказывание А
состоит в том, что «высота шкафа меньше высоты двери», событие В
«ширина шкафа меньше ширины двери», событие С «шкаф можно внести в
дверь, если ширина шкафа меньше ширины двери И высота шкафа меньше
высоты двери», т.е. данная операция применяется, если два высказывания
связываются союзом И.
Таблица истинности этой операции, как следует из определения, имеет
вид
3
А
0
0
1
1
В
0
1
0
1
А&В
0
0
0
1
Т.е. результатом конъюнкции (логического умножения) будет 1
только в том случае, когда значения обоих операндов 1.
Дизъюнкцией (логическим сложением) двух высказываний А и В
является новое высказывание С, которое истинно, если истинно хотя бы
одно высказывание. Записывается С = A∨В, или, правда очень редко, может
быть записано С = A+В (при этом говорят: С равно А ИЛИ В). Например,
пусть высказывание А состоит в том, что «студент может добираться домой
на автобусе», событие В «студент может добираться домой на троллейбусе»,
событие С «студент добрался домой на автобусе ИЛИ троллейбусе», т.е.
данная операция применяется, если два высказывания связываются союзом
ИЛИ.
Таблица истинности такой операции следующая:
А
0
0
1
1
В
0
1
0
1
A∨B
0
1
1
1
Т.е. результатом дизъюнкции (логического сложения) будет 1, если
хотя бы один из операндов имеет значение 1.
Импликацией двух высказываний А (А называется посылкой) и В (В
называется заключением) является новое высказывание С, которое ложно
только тогда, когда посылка истинна, а заключение ложно, записывается
С = А→В (при этом говорят: из А следует В). Примером такой операции
может быть любое рассуждение типа: если произошло событие А, то
произойдет событие В, например, «если идет дождь, то на небе тучи».
Очевидно, операция не симметрична, т.е. из В→А не всегда истинно, в
нашем примере «если на небе тучи, то идет дождь» не всегда истинно.
4
Таблица истинности импликации имеет вид
А
В
А→В
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
1
1
Т.е. результатом импликации будет 0 только тогда, когда посылка 1,
а заключение 0.
Импликация имеет следующие свойства:
А→В ≠ В→А
А→А = 1
0→А = 1
1→А =А
А→1 =1
А→0 = À
Эквиваленцией
двух
высказываний
А
и
В
является
новое
высказывание С, которое истинно только тогда, когда оба высказывания
имеют одинаковые значения истинности, записывается С = А↔В (.С = А
= В). Примером такой операции может быть любое высказывание типа:
событие А равносильно событию В. Например, «идет дождь» равносильно
«капает из тучи».
Таблица истинности:
А
0
0
1
1
В
0
1
0
1
А↔В
1
0
0
1
Т.е. результатом эквиваленции будет 1 тогда, когда оба высказывания
имеют одинаковые значения (либо 0, либо 1).
Эквиваленция имеет следующие свойства:
А↔В = В↔А
А↔В = Â ↔ À
5
А↔1 = А
А↔0 = À
С
помощью
(логических
логических
переменных
и
операций
констант)
из
можно
простых
высказываний
построить
логические
выражения, которые также называются булевскими функциями. Например,
С= (( À ∨ В) → В) ∨ А.
Чтобы избежать большого количества скобок в булевских функциях,
принято следующее соглашение о старшинстве операций.
Первыми выполняются операции в скобках, затем операции в
следующем порядке: отрицание, конъюнкция и дизъюнкция слева
направо, импликация, эквиваленция.
Зависимости между логическими операциями
Операции не являются независимыми; одни из них могут быть
выражены через другие. Можно доказать с помощью таблиц истинности
следующие равносильности:
À =А – закон двойного отрицания
А&В = В&А – коммутативный закон для конъюнкции
A∨B = B∨A – коммутативный закон для дизъюнкции
(А&В)&С = А&(В&С) – ассоциативный закон для конъюнкции
(A∨B)∨C = A∨(B∨C) – ассоциативный закон для дизъюнкции
дистрибутивные законы
А&(В∨С) = (А&В)∨(А&С)
A∨(В&С) = (A∨В)&(A∨С)
законы де Моргана
À & Â= À∨ Â
À ∨ Â=À&Â
6
A&A = A – закон идемпотенции для конъюнкции
A∨A = A – закон идемпотенции для дизъюнкции
A&1 = A – закон единицы для конъюнкции
A&0 = 0 – закон нуля для конъюнкции
A∨1 = 1 – закон единицы для дизъюнкции
A∨0 = A – закон нуля для дизъюнкции
A∨ À = 1 – закон исключения третьего
A& À = 0 – закон противоречия
A→ В = À ∨В
А↔В = (А→В)&(В→А) = ( À ∨В)&(A∨ Â)= (A&В)∨( À & Â)
законы поглощения
A∨(А&В) = А
А&(A∨В) = А
А&( À ∨В) = А&В
A∨( À &B) = A∨В
Одну и ту же зависимость между логическими переменными можно
выразить различными формулами. Поэтому важно иметь возможность
приводить
формулы
с
помощью
эквивалентных
преобразований
к
некоторому стандартному виду. Существует несколько стандартных форм, к
которым приводятся логические выражения с помощью эквивалентных
преобразований.
Первая из них — дизъюнктивная нормальная форма (ДНФ), имеет вид
Al∨A2∨...∨An, где каждое из составляющих высказываний есть конъюнкция
простых высказываний и их отрицаний, например:
В = ( À1 & А2 & A3)∨(А4 & А5)
7
Вторая — конъюнктивная нормальная форма (КНФ), имеет вид
А1∧А2∧...∧An, где каждое из составляющих есть дизъюнкция простых
высказываний и их отрицаний, например:
В = ( À1 ∨А2∨ À 3 ) & (А4∨А5) & А6.
Задать булевскую функцию можно, определяя ее значения для всех
наборов значений аргументов. Каждый аргумент может иметь два значения:
0 и 1, следовательно, n аргументов могут принимать 2n различных наборов.
Пусть, например, булевская функция имеет три аргумента: X1, Х2, Х3. Общее
число наборов 23 = 8; зададим таблицу истинности функции, указав для
каждого набора значение функции.
№
X1
X2
X3
F
1
0
0
0
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
1
1
5
1
0
0
0
6
1
0
1
1
7
1
1
0
0
8
1
1
1
1
Для составления алгебраической формы по результатам таблицы
сделаем следующее. В комбинациях, где функция принимает значение 1,
единицу заменим именем функции, а нуль – именем с отрицанием (т.е.
комбинации 0 0 1 поставим в соответствие выражение Õ1 & Õ 2 &Х3), все
элементы соединим знаками дизъюнкции, для рассматриваемого примера
получим F(X1, X2, Х3) = ( Õ1 & Õ 2 &Х3)∨( Õ1 &Х2&Х3)∨(Х1& Õ 2 &Х3)∨
(Х1&Х2&Х3).
Как нетрудно заметить, построенная функция удовлетворяет заданной
таблице истинности. Функция представляет дизъюнктивную нормальную
форму. Кроме того, заметим, что в каждую группу дизъюнкций входят все
аргументы функции. Такая ДНФ называется совершенной, а каждая группа
дизъюнкций называется конституэнтой единицы.
8
Аналогично, для комбинаций, где функция принимает значение нуля,
можно построить алгебраическую форму F(X1,X2,X3) = (X1∨X2∨X3)& (X1∨ Õ 2
∨X3)&( Õ1 ∨X2∨X3)&( Õ1 ∨ Õ 2 ∨X3), которая также удовлетворяет заданной
таблице истинности и представляет собой конъюнктивную нормальную
форму, в данном случае совершенную. Каждая конъюнкция называется
конституэнтой нуля.
Таким
образом,
любая
функция
может
быть
разложена
на
конституэнты (составляющие). Эти соотношения используются для
синтеза логических функций и вычислительных схем.
Далее будет показано, как, основываясь на булевой алгебре, создаются
цифровые устройства.
1
1.8 Кодирование данных в современных компьютерах.
Кодирование текстовых, графических и звуковых данных
Изучив материал, студент должен знать:

как кодируются данные в современных компьютерах; кодирование текстовых
данных (коды ASCII и UNICODE); кодирование графических данных; кодирование
звуковых данных.
Изучив материал, студент должен уметь:

определять объем памяти необходимый для хранения текстовых,
графических и звуковых данных.
1.8.1 Кодирование текстовых данных
Нажатие
любой
алфавитно-цифровой
клавиши
на
клавиатуре
приводит к тому, что в компьютер посылается сигнал в виде двоичного
числа, представляющего собой одно из значений кодовой таблицы.
Кодовая таблица — это внутреннее представление символов в
компьютере.
В качестве стандарта долгое время использовалась кодовая таблица
ASCII (American Standard Code for Informational Interchange — Американский
стандартный код информационного обмена).
Для хранения двоичного кода одного символа выделен 1 байт = 8бит.
Учитывая, что каждый бит принимает значение 1 или 0, количество
возможных сочетаний единиц и нулей равно 28 = 256.
Значит, с помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных
кодовых комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов.
Эти коды и составляют кодовую таблицу ASCII.
Для сокращения записи и удобства пользования этими кодами
символов в таблице используют шестнадцатеричную систему счисления,
При кодировании символов сначала записывается цифра столбца, а затем
строки, на пересечении которых находится данный символ. Таблица кодов
ASCII показана на рисунке 1.
2
Рисунок 1 – таблица кодов ASCII
Например, латинская буква S в таблице ASCII представлена
шестнадцатеричным кодом — 53. При нажатии клавиши с буквой S в память
компьютера записывается код 01010011, представляющий собой двоичный
эквивалент шестнадцатеричного числа 53. Этот код может быть получен
путем
замены
каждой
шестнадцатеричной
цифры
её
двоичным
представлением. В данном случае цифра 5 заменена кодом 0101, а цифра 3 —
кодом 0011. При выводе буквы S на экран, компьютер выполняет
декодирование: на основании этого двоичного кода строится изображение
символа.
Любой символ в таблице ASCII кодируется с помощью 8 двоичных
разрядов или 2 шестнадцатеричных разрядов.
Стандарт ASCII кодирует первые 128 символов от 0 до 127: цифры,
буквы латинского алфавита, управляющие символы. Таблица выше
отображает кодировку символов в шестнадцатеричной системе счисления.
Первые 32 символа являются управляющими и предназначены в
основном для передачи команд управления. Их назначение может
варьироваться в зависимости от программных и аппаратных средств. Вторая
3
половина кодовой таблицы (от 128 до 255) американским стандартом не
определена и предназначена для символов национальных алфавитов,
псевдографических и некоторых математических символов. В разных
странах могут использоваться различные варианты второй половины кодовой
таблицы.
Хочется напомнить, что цифры кодируются по стандарту ASCII в
двух случаях: при вводе-выводе и когда они встречаются в тексте. Если
цифры участвуют в вычислениях, то осуществляется их преобразование в
двоичный код в соответствии с правилами.
Например, рассмотрим число 45 для двух вариантов кодирования.
При использовании в тексте это число потребует для своего
представления 2 байта, поскольку каждая цифра будет представлена своим
кодом в соответствии с таблицей ASCII. В шестнадцатеричной системе код
будет выглядеть как 3435, в двоичной системе — 0011010000110101.
При использовании в вычислениях двоичного кода этого числа по
правилам
записи
в
память
компьютера
десятичных
целых
чисел
положительных и отрицательных это число будет представлено в виде 8разрядного двоичного числа 00101101, на его запись в память компьютера
потребуется 1 байт.
В настоящее время широко распространен код Unicode. Эта кодировка
поддерживается в большинстве операционных систем, а также практически
во всех современных браузерах и многих программах.
Стандарт
Unicode
явился
результатом
сотрудничества
Международной организации по стандартизации (ISO) с ведущими
производителями компьютеров и программного обеспечения. В мире
существует 6700 живых языков, но
только
50 из них являются
официальными языками государств. Письменностей используется около 25,
что делает возможным создание универсального стандарта.
Для кодирования этих письменностей достаточно 16-битового
диапазона (2 байта на символ), то есть диапазона от 0000 до FFFF. Стандарт
4
ASCII занимает в кодовом пространстве свое почетное место в диапазоне от
0000 до 00FF.
Каждой письменности выделен свой блок кодов. На сегодняшний
день кодирование всех живых официальных письменностей считается
завершенным: распределено около 29000 позиций из 65535 возможных.
Кодовая таблица стандарта Unicode показана на рисунке 2.
Рисунок 2 – кодовая таблица Unicode
В последнее время консорциум Unicode приступил к кодированию
остальных письменностей нашей планеты, которые представляют какой-либо
5
интерес: письменности мёртвых языков, выпавших из современного обихода,
китайские иероглифы, искусственно созданные алфавиты и т. п.
Для
представления
такого
разнообразия
языков
16-битового
кодирования уже недостаточно, и сегодня Unicode уже приступил к
освоению 21-битового пространства кодов (000000-10FFFF), которое разбито
на 16 зон, названных плоскостями.
Итак! Если каждому символу алфавита сопоставить определенное
целое число, то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую
информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256
различных
символов.
Этого
хватит,
чтобы
выразить
различными
комбинациями из восьми битов все символы английского и русского языков,
как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы
основных
арифметических
действий
и
некоторые
общепринятые
специальные символы, например символ «@». Для одинакового кодирования
текстовых данных существуют специальные таблицы кодирования. К
сожалению их, достаточно много из-за противоречий между символами
национальных алфавитов, а также противоречий корпоративного характера.
А также трудности, связанные с единой системой кодирования текстовых
данных вызваны ограниченным набором кодов (256). В настоящее время
разработана система, основанная на 16-разрядном кодировании символов.
Она получила название UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют
обеспечить уникальные коды для 65536 различных символов – этого поля
достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков
планеты.
1.8.2 Кодирование графических данных
Представление графических данных в двоичном коде. Есть два
основных способа представления изображений. Создавать и хранить
графические объекты в компьютере можно различными способами, однако
6
самыми популярными являются растровое и векторное кодирование
изображения. Поговорим об этом подробнее.
Растровое изображение представляет собой совокупность точек,
используемых для его отображения на экране монитора.
Объём растрового изображения определяется как произведение
количества точек и информационного объёма одной точки, который зависит
от
количества
возможных
цветов.
Для
черно-белого
изображения
информационный объём одной точки равен 1 биту, так как точка может быть
либо чёрной, либо белой, что можно закодировать одной из двух цифр — 0
или 1.
Рисунок 3 – Растровое кодирование
Информационный объём растрового изображения (V) определяется
как
произведение
числа
входящих
в
изображение
точек
(N)
на
информационный объём одной точки (q), который зависит от количества
возможных цветов, т. е. V=N⋅q.
При чёрно-белом изображении q = 1 бит (например, 1 — точка
подсвечивается и 0 — точка не подсвечивается). Поэтому для хранения
чёрно-белого (без оттенков) изображения размером 100x100 точек требуется
10000 бит.
7
Если между чёрным и белым цветами имеется ещё шесть оттенков
серого (всего 8), то информационный объём точки равен 3 бита (log28 = 3).
Информационный объём такого изображения увеличивается в три раза: V =
30000 бит.
Рассмотрим, сколько потребуется бит для отображения цветной
точки: для 8 цветов необходимо 3 бита; для 16 цветов — 4 бита; для 256
цветов — 8 битов (1 байт). В таблице 1 представлено кодирование цветовой
палитры из 16 цветов.
Таблица 1 – Кодирование цветовой палитры из 16 цветов
Разные цвета и их оттенки получаются за счёт наличия или отсутствия
трёх основных цветов (красного, синего, зеленого) и степени их яркости.
Каждая точка на экране кодируется с помощью 4 битов.
Цветные изображения могут отображаться в различных режимах,
соответственно изменяется и информационный объём точки (см. таблицу 2).
8
Таблица 2 – Информационный объем точки
Описание цвета пикселя является кодом цвета.
Количество бит, отводимое на каждый пиксель для представления
цвета, называют глубиной цвета (англ. color depth). От количества
выделяемых бит зависит разнообразие палитры.
Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8,
16, 24 или 32 бита.
Чем больше глубина цвета, тем больше объем графического файла.
Для хранения растрового изображения размером 32x32пикселя отвели
512 байтов памяти.
Каково максимально возможное число цветов в палитре изображения?
Решение. Число точек изображения равно 32⋅32 = 1024. Мы знаем,
что 512 байтов = 512⋅8=4096 бит. Найдём глубину цвета 4096÷1024=4. Число
цветов равно 24 = 16.
Цвет
на
Web-страницах
кодируется
в
виде
RGB-кода
в
шестнадцатеричной системе: #RRGGBB, где RR, GG и BB — яркости
красного, зеленого и синего, записанные в виде двух шестнадцатеричных
цифр; это позволяет закодировать 256 значений от 0 (00 16 ) до 255 (FF 16 ) для
каждой составляющей.
Коды цветов показаны в таблице 3.
При обозначении цветов в HTML –документах вначале ставят знак
номера #. В HTML: #FF0000 — интенсивно красный цвет, #00FF00 —
зелёный цвет, #0000FF — синий цвет. Отсутствие цветов (#000000) даёт
9
чёрный цвет, а самое интенсивное сочетание всех трёх каналов (#FFFFFF)
даёт белый цвет.
Таблица 3 – Коды некоторых цветов
FF — наибольшая яркость цветовой компоненты, для получения
различных оттенков одного и того же цвета изменяют яркость.
Чтобы получить светлый оттенок какого-то «чистого» цвета, нужно
одинаково увеличить нулевые составляющие; например, чтобы получить
светло-красный цвет, нужно сделать максимальной красную составляющую
и, кроме этого, одинаково увеличить остальные — синюю и зелёную:
#FF9999 (сравните с красным: #FF0000).
Чтобы получить тёмный оттенок чистого цвета, нужно одинаково
уменьшить все составляющие, например, #660066 — это тёмно-фиолетовый
цвет (сравните с фиолетовым #FF00FF).
Заметим, что если старший бит в коде (первая, третья или пятая
цифра) находится в диапазоне от 0 до 3, то можно считать, что эта цветовая
компонента отсутствует в цвете, то есть #0F0F0F — это чёрный цвет.
Также следует отметить, что равное или почти равное сочетание
цветовых компонент обозначает серый цвет разной интенсивности.
Итак, подведем итог, графические объекты формируются в виде
множества
точек
(пикселей)
разных
цветов
и
разных
яркостей,
распределенных по строкам и столбцам. Такой способ называется растровой
10
графикой. Линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки
(яркость, цветность) можно выразить с помощью целых чисел, которые и
запоминаются в памяти компьютера.
Рассмотрим второй способ.
Векторное
изображение
представляет
собой
совокупность
графических примитивов. Каждый примитив состоит из элементарных
отрезков кривых, параметры которых (координаты узловых точек, радиус
кривизны и пр.) описываются математическими формулами.
Для каждой линии указываются её тип (сплошная, пунктирная,
штрих-пунктирная), толщина и цвет, а замкнутые фигуры дополнительно
характеризуются типом заливки.
Рассмотрим, например, такой графический примитив, как окружность
радиуса r. Для её построения необходимо и достаточно следующих исходных
данных:
−
координаты центра окружности;
−
значение радиуса r;
−
цвет заполнения (если окружность не прозрачная);
−
цвет и толщина контура (в случае наличия контура).
Информация о векторном рисунке кодируется обычным способом, как
хранятся
тексты, формулы, числа, т. е. хранится не
графическое
изображение, а только координаты и характеристики изображения его
деталей.
Поэтому
для
хранения
векторных
изображений
требуется
существенно меньше памяти, чем растровых изображений.
Таким образом, графические объекты создаются как совокупности
линий (кривых третьего порядка) – векторная графика. Из элементарных
объектов
(линий)
создаются
простейшие
геометрические
объекты
(примитивы) из которых, в свою очередь, составляются законченные
композиции. В векторных редакторах каждая линия рассматривается как
математическая кривая третьего порядка и, соответственно, представляется
математической формулой (в компьютере хранятся числовые коэффициенты
11
этой формулы). Такое представление намного компактнее, чем растровое,
данные занимают много меньше места, однако, построение любого объекта
выполняется не простым отображением точек на экране, а сопровождается
непрерывным пересчетом параметров кривой в координаты экранного или
печатного изображения. Соответственно, работа с векторной графикой
требует более производительных вычислительных систем.
Вернемся еще раз к оцифровке цветов.
Для оцифровки цветов в современных компьютерах используют две
основные модели.
Модель RGB. Чтобы оцифровать цвет его необходимо измерить. Три
закона смешения цветов сформулировал немецкий ученый Грасман:
1) закон трехмерности – любой цвет может быть представлен
комбинацией трех основных цветов;
2) закон непрерывности – к любому цвету можно подобрать
бесконечно близкий;
3) закон аддитивности – цвет смеси зависит только от цвета
составляющих.
За основные три цвета приняты красный (Red), зеленый (Green),
синий (Blue). Каждый составляющий цвет при этом характеризуется своей
яркостью, поэтому модель называется аддитивной. Эта схема применяется
для создания графических образов в устройствах, излучающих свет, мониторах, телевизорах.
Модель CMYK. Напечатанный на бумаге графический объект сам не
излучает световых волн. Изображение формируется на основе отраженной
волны от окрашенных поверхностей. Окрашенные поверхности, на которые
падает белый свет (т.е. сумма всех цветов), должны поглотить (т.е. вычесть)
все составляющие цвета, кроме того цвета, который мы видим. Цвет
поверхности можно получить красителями, которые поглощают, а не
излучают. Например, если мы видим зеленое дерево, то это означает, что из
падающего белого цвета, т.е. суммы красного, зеленого, синего, поглощены
12
красный и синий, а зеленый отражен. Цвета красителей должны быть
дополняющими:
− голубой (Cyan = B+ G), дополняющий красного;
− пурпурный (Magenta = R+B), дополняющий зеленого;
− желтый (Yellow = R+G), дополняющий синего.
Но так как цветные красители по отражающим свойствам не
одинаковы, то для повышения контрастности применяется еще черный
(black). Модель CMYK названа по первым буквам слов Cyan, Magenta,
Yellow и последней букве слова black. Так как цвета вычитаются, модель
называется субстрактивной.
1.8.3 Кодирование звуковых данных
Звук представляет собой непрерывный сигнал — звуковую волну с
меняющейся амплитудой и частотой.
Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека.
Чем больше частота сигнала, тем выше тон. Звуковой сигнал показан
на рисунке 4.
Рисунок 4 – Звуковой сигнал
Частота звуковой волны выражается числом колебаний в секунду и
измеряется в герцах (Гц, Hz).
13
Человеческое ухо способно воспринимать звуки в диапазоне от 20 Гц
до 20 кГц, который называют звуковым.
Количество бит, отводимое на один звуковой сигнал, называют
глубиной кодирования звука.
Современные звуковые карты обеспечивают 16-, 32- или 64-битную
глубину кодирования звука, глубина оцифровки.
При
кодировании
звуковой
информации
непрерывный
сигнал
заменяется дискретным, то есть превращается в последовательность
электрических импульсов (двоичных нулей и единиц).
Процесс перевода звуковых сигналов от непрерывной формы
представления к дискретной, цифровой форме называют оцифровкой.
Важной характеристикой при кодировании звука является частота
дискретизации — количество измерений уровней сигнала за 1секунду:
−
1 (одно) измерение в секунду соответствует частоте 1 Гц;
−
1000 измерений в секунду соответствует частоте 1 кГц.
Частота дискретизации звука — это количество измерений громкости
звука за одну секунду.
Количество измерений может лежать в диапазоне от 8 кГц до 48 кГц
(от частоты радиотрансляции до частоты, соответствующей качеству
звучания музыкальных носителей).
Чем больше частота и глубина дискретизации звука, тем более
качественным будет звучание оцифрованного звука. Самое низкое качество
оцифрованного
звука,
соответствующее
качеству
телефонной
связи,
получается при частоте дискретизации 8000 раз в секунду, глубине
дискретизации 8 битов и записи одной звуковой дорожки (режим «моно»).
Самое высокое качество оцифрованного звука, соответствующее качеству
аудио-CD, достигается при частоте дискретизации 48000 раз в секунду,
глубине дискретизации 16 битов и записи двух звуковых дорожек (режим
«стерео»).
14
Необходимо помнить, что чем выше качество цифрового звука, тем
больше информационный объем звукового файла.
Оценить информационный объём моноаудиофайла (V) можно
следующим образом: V = N⋅f⋅k, где N — общая длительность звучания
(секунд), f — частота дискретизации (Гц), k — глубина кодирования (бит).
Например, при длительности звучания 1 минуту и среднем качестве
звука (16 бит, 24 кГц):
V = 60⋅24000⋅16 бит = 23040000 бит = 2880000 байт = 2812,5 Кбайт =
2,75 Мбайт.
При кодировании стереозвука процесс дискретизации производится
отдельно и независимо для левого и правого каналов, что, соответственно,
увеличивает объём звукового файла в два раза по сравнению с монозвуком.
Например,
оценим
информационный
объём
цифрового
стереозвукового файла длительностью звучания 1 секунда при среднем
качестве звука (16 битов, 24000 измерений в секунду). Для этого глубину
кодирования необходимо умножить на количество измерений в 1 секунду и
умножить на 2 (стереозвук):
V=16 бит ⋅24000⋅2 = 768000 бит = 96000 байт = 93,75 Кбайт.
Существуют различные методы кодирования звуковой информации
двоичным кодом, среди которых можно выделить два основных направления:
метод FM и метод Wave-Table.
Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что теоретически
любой сложный звук можно разложить на последовательность простейших
гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет
собой правильную синусоиду, и, следовательно, может быть описан кодом.
Разложение звуковых сигналов в гармонические ряды и представление в виде
дискретных цифровых сигналов выполняют специальные устройства —
аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Преобразование аналогового
сигнала в дискретный показано на рисунке 5.
15
Рисунок 5 – Преобразование аналогового сигнала в дискретный
Преобразование звукового сигнала в дискретный сигнал:
a — звуковой сигнал на входе АЦП;
б — дискретный сигнал на выходе АЦП.
Обратное
преобразование
закодированного
числовым
кодом,
для
воспроизведения
выполняют
звука,
цифро-аналоговые
преобразователи (ЦАП). Процесс преобразования звука представлен на
рисунке 5. Данный метод кодирования не даёт хорошего качества звучания,
но обеспечивает компактный код.
Рисунок 6 - Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал
Преобразование дискретного сигнала в звуковой сигнал:
а — дискретный сигнал на входе ЦАП;
б — звуковой сигнал на выходе ЦАП.
Итак! Звуковые сигналы имеют непрерывный спектр, то есть
являются
аналоговыми.
представление
в
виде
Их
разложение
дискретных
в
гармонические
цифровых
сигналов
ряды
и
выполняют
16
специальные устройства – аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного
числовым кодом, выполняют цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП).
При таких преобразованиях неизбежны потери информации, связанные с
методом кодирования, поэтому качество звукозаписи обычно получается не
вполне удовлетворительным и соответствует качеству звучания простейших
электромузыкальных инструментов с окрасом, характерным для электронной
музыки. В то же время данный метод кодирования обеспечивает весьма
компактный код, и поэтому он нашел применение еще в те годы, когда
ресурсы средств вычислительной техники были явно недостаточны.
Таблично-волновой метод (Wave-Table) основан на том, что в заранее
подготовленных таблицах хранятся образцы звуков окружающего мира,
музыкальных инструментов и т. д. Числовые коды выражают высоту тона,
продолжительность
и
интенсивность
звука
и
прочие
параметры,
характеризующие особенности звука. Поскольку в качестве образцов
используются «реальные» звуки, качество звука, полученного в результате
синтеза, получается очень высоким и приближается к качеству звучания
реальных музыкальных инструментов.
В технике такие образцы называются сэмплами. Числовые коды
выражают
тип
инструмента,
номер
его
модели,
высоту
тона,
продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения,
некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также прочие
параметры, характеризующие особенности звука.
Звуковые файлы имеют несколько форматов. Наиболее популярные из
них MIDI, WAV, МРЗ.
Формат MIDI (Musical Instrument Digital Interface) изначально был
предназначен для управления музыкальными инструментами. В настоящее
время используется в области электронных музыкальных инструментов и
компьютерных модулей синтеза.
17
Формат аудиофайла WAV (waveform) представляет произвольный
звук в виде цифрового представления исходного звукового колебания или
звуковой волны. Все стандартные звуки Windows имеют расширение WAV.
Формат МРЗ (MPEG-1 Audio Layer 3) — один из цифровых форматов
хранения звуковой информации. Он обеспечивает более высокое качество
кодирования.
1.5 Запись информации в память компьютера
Изучив материал, студент должен знать:

как представляются числа в памяти компьютера; представление информации
в двоично-восьмеричных и двоично-шестнадцатеричных кодах; как записываются в
память целые десятичных числа, положительные и отрицательные; как записываются в
память компьютера числа с плавающей запятой.
Изучив материал, студент должен уметь:
определять объем памяти необходимый для хранения данных.

Возникает вопрос, зачем нужны системы счисления. Ответ в способах
записи информации в компьютер. Двоичное кодирование информации, как
уже было отмечено ранее, легко реализуется технически. А основу двоичной
арифметики обеспечивает группа из восьми бит называемая байт. Вся
информация в компьютер записывается в байты.
Вид байта с пронумерованными битами показан на рисунке 2.
7
6
5
4
Старшая тетрада
3
2
1
0
Младшая тетрада
Рисунок 1 – Байт с пронумерованными битами
Как видно из рисунка биты в байте нумеруются справа налево.
Поэтому правые четыре бита называются младшая тетрада, а левые четыре
старшая тетрада.
Информация в байты записывается как числами целыми и дробными,
переведенными в двоичную систему, так и цифрами восьмеричной и
шестнадцатеричной системы в так называемых двоично-восьмеричных и
двоично-шестнадцатеричных кодах.
1
Рассмотрим запись информации цифрами восьмеричной системы. Как
известно цифр в восьмеричной системе 8 (от 0 до 7). Их двоичновосьмеричные коды таковы:
0 – 000
1 – 001
2 – 010
3 – 011
4 – 100
5 – 101
6 – 110
7 – 111
Как видим, чтобы записать одну цифру восьмеричной системы в
двоично-восьмеричном коде необходимо три бита. Поэтому при такой записи
информации
байт, состоящий из восьми битов, делят не на тетрады по
четыре бита, а на триады по три бита, как показано на рисунке 3.
1
0
Старшая
триада
1
0
1
Средняя
триада
1
1
1
Младшая
триада
Рисунок 2 – Байт, разбитый на триады
На рисунке в байт записано восьмеричное число 257Q. Видно, что
левая старшая триада является усеченной. Максимальное восьмеричное
число, которое можно записать в один байт 377Q.
Рассмотрим запись информации цифрами шестнадцатеричной системы.
Как известно цифр в шестнадцатеричной системе 16 (от 0 до F). Их двоичношестнадцатеричные коды таковы:
2
0 – 0000B
1 – 0001B
2 – 0010B
3 – 0011B
4 – 0100 B
A – 1010 – цифра десять
B – 1011 - цифра одиннадцать
C – 1100 - цифра двенадцать
D – 1101 - цифра тринадцать
E – 1110 - цифра четырнадцать
F – 1111 - цифра пятнадцать
5 – 0101B
6 – 0110B
7 – 0111B
8 – 1000B
9 – 1001B
Цифры десятичной системы
Анализируя двоично-шестнадцатеричные коды видно, что, разбивая
байт на тетрады, и, записывая одну цифру двоично-шестнадцатеричного кода
в четырех битах, мы полностью используем все комбинации двоичных цифр
от 0000 до 1111. Двоично-десятичная же запись информации не позволяет
нам
это
сделать.
Поэтому
большинство
современных
компьютеров
используют шестнадцатеричную систему счисления.
Необходимо помнить, что для записи информации память компьютера
выделяется байтами. Поэтому, например, полученное нами, в ранее
рассмотренных примерах, число 1А7Н будет записано в память следующим
образом.
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
Незначащие
ноли
1
0
0
1
A
1
1
7
Рисунок 3 – Запись в память числа 1А7Н
Из рисунка видно, что лишняя тетрада заполняется незначащими
нолями.
1.6 Запись в память компьютера целых чисел
Рассмотрим,
как
записываются
в
память
компьютера
целые
десятичные числа положительные и отрицательные. В этом случае
3
старший разряд в байте (или группе байт), выделенном для записи числа,
содержит информацию о знаке числа и называется знаковым разрядом.
7
6
5
4
3
2
1
0
Разряды для записи числа
Знаковый
разряд
Рисунок 4 – Вид байта для записи целых чисел
Посмотрим, как записать в память компьютера положительное
десятичное число 106. Для этого сначала переведем это число в двоичную
систему счисления. Число 106 десятичное равно 1101010В числу двоичному.
На рисунке 6 видно, что разряды в байте пронумерованы в соответствии с
рядом степени числа 2. В этом порядке и записано в байт наше двоичное
число.
0
1
1
0
1
0
1
0
Число 106 в двоичном коде
Ноль в знаковом
разряде означает, что
число положительное
Рисунок 5 – запись в байт числа +106
Отрицательные числа в память компьютера записываются в так
называемом дополнительном коде. Чтобы получить число в дополнительном
коде двоичное число инвертируют и добавляют к нему единицу.
4
Проинвертировать двоичное число это, значит, записать его разряды
наоборот, т.е. вместо единиц записать ноли, а вместо нолей единицы.
Записанное в память компьютера число 106 в инвертированном виде будет
выглядеть следующим образом 10010101, добавляя к нему 1, получим:
0
1
1
0
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
1
1
0
+106
-106
Рисунок 6 – Представление отрицательного числа
Таким образом, отрицательное число –106 будет записано в память
компьютера, так как показано на рисунке 7. Убедимся, что это правильно.
Выполним проверку. Сложим положительное и отрицательное числа.
1
Единица переполнения
0 1 1 0 1
0 1
0 +106
1 0 0 1 0
1 1
0 -106
0 0 0 0 0
0 0
0
Рисунок 7 – Проверка полученных результатов
Максимальное целое число положительное или отрицательное, которое
можно записать в один байт находиться в диапазоне –128≤ x ≤+127. Для
записи больших чисел необходимо использовать два или четыре байта.
1.7 Запись в память компьютера дробных чисел
Рассматривая
запись
в
память
компьютера
дробных
чисел,
познакомимся сначала с понятием числа с плавающей запятой или числа с
плавающей точкой. Числа с плавающей запятой и числа с плавающей
точкой это дробные десятичные числа. Просто на Американском континенте
5
в дробном десятичном числе принято отделять целую часть точкой, а не
запятой как у нас в Европе. Поэтому в литературе по информатике вам могут
встретиться оба эти названия. Так как мы живем в России, остановимся на
названии числа с плавающей запятой. Почему запятая плавает? Возьмем
число 2,5. Это число можно записать так 2,5*100. Или 25,0*10-1, или
0,25*101(нормализованный вид). Как видим, запятая плавает в зависимости от
степени числа 10. Отсюда название числа с плавающей запятой.
Для записи чисел с плавающей запятой в память компьютера
используется полулогарифмическая форма, которая имеет вид:
A = (± S ) * P± r ,
где
p – основание системы счисления (целое положительное число);
±r – порядок числа
S – мантисса числа A, всегда S<1.
Запись такого типа называется полулогарифмической, так как в
логарифмической форме представляется часть числа p±r . Положение точки
определяется значением порядка r. С изменением порядка в ту или другую
сторону запятая и перемещается (плавает) вправо или влево. В память
компьютера числа с плавающей запятой записываются, в так называемом,
нормализованном виде. В этом виде целая часть числа приводится к нолю, а
в мантиссе числа сразу после запятой фиксируется значащая цифра.
Число НОЛЬ не может быть записано в нормализованной форме в том
виде, в котором мы её определили. Поэтому считаем, что нормализованная
запись нуля в десятичной системе будет такой:
0 = 0,0 * 100
Для размещения вещественного числа обычно используется 2 или 4
байта.
6
В 2-байтовом формате представления вещественного числа первый
байт и три разряда второго байта выделяются для размещения мантиссы, в
остальных разрядах второго байта размещаются порядок числа, знаки числа
и порядка.
7
В 4-байтовом формате представления вещественного числа первые три байта выделяются для размещения
мантиссы, в четвертом байте размещаются порядок числа, знаки числа и порядка.
Чем больше разрядов отводится под запись мантиссы, тем выше точность представления числа.
Пример записи числа 6,2510=110,012=0,11001⋅211, представленного в нормализованном виде, в четырёхбайтовом
формате с семью разрядами для записи порядка.
8
9
10
Лекция 2
Изучив материал, студент должен знать:

различные подходы к измерению информации

принципы построения позиционных и непозиционных систем счисления,
представление чисел в позиционных системах счисления.
Изучив материал, студент должен уметь:

вычислять количество информации необходимое для хранения информации;

переводить числа из одной системы счисления в другую, выполнять
основные арифметические операции в различных системах счисления.
1.3 Различные подходы к измерению информации
В информационных технологиях используются различные подходы к
измерению информации:
Содержательный подход. Сообщение – это информативный поток,
который в процессе передачи информации поступает к приемнику.
Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем
сведения являются для него новыми и понятными Информация дает знания
человеку, а это значит, что сообщение должно быть информативно. Если
сообщение не информативно, то количество информации с точки зрения
человека = 0.
Алфавитный подход. Не связывает количество информации с
содержанием сообщения. Алфавитный подход – это объективный подход к
измерению информации. Он удобен при использовании технических средств
работы с информацией, т.к. не зависит от содержания сообщения.
Количество информации зависит от объема текста и мощности алфавита
Вероятностный
подход.
Учитывает
вероятность
появления
сообщений: более информативным считается то сообщение, которое менее
вероятно, т.е. менее всего ожидалось. Применяется при оценке значимости
получаемой информации.
Для измерения информации вводятся два параметра: количество
информации I и объем данных Vд.
Меры информации бывают следующие:
1
Синтаксическая мера информации – оперирует с обезличенной
информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту.
Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов
(разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд
имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных.
Предположим, что до получения информации пользователь имеет
предварительные сведения о системе α, и хочет получить сообщение β. Мера
неосведомленности
пользователя
выражена
функцией
Н(α),
а
дополнительная информация, которую он приобрел Iβ(α). Тогда количество
информации Iβ(α) определится по формуле:
Iβ(α)= Н(α) - Нβ(α),
т.е. количество информации измеряется изменением (уменьшением)
неопределенности состояния системы. А Нβ(α) – конечная неопределенность.
Если конечная неопределенность обратится в ноль, то количество
информации:
Iβ(α)= Н(α)
Энтропия системы Н(α) – это мера недостающей информации.
Энтропия системы Н(), имеющая N возможных состояний, согласно
формуле Шеннона, равна:
N
H (α ) = − ∑ Pi log Pi
i =1
где Pi – вероятность того, что система находится в i-м состоянии.
Для случая, когда все состояния системы равновероятны, т.е. их
вероятности равны Pi =
1
, ее энтропия определяется соотношением
N
N
H (α ) = − ∑
1
1
log
N
i =1 N
2
Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной
системе счисления, особенно это актуально при представлении информации
в компьютере.
N=mn
N – число всевозможных отображаемых состояний;
m – основание системы счисления;
n – число разрядов в сообщении.
Пример.
По
каналу
связи
передается
n-разрядное
сообщение,
использующее m различных символов. Так как количество всевозможных
кодовых комбинаций будет N=mn, то при равновероятности появления
любой из них количество информации, приобретенной абонентом в
результате получения сообщения, будет:
I = log N= n log m – формула Хартли
Если в качестве основания логарифма принять m, то I = n. В данном
случае количество информации будет равно объему данных I = Vд,
полученных по каналу связи. Для неравновероятных состояний системы
всегда I< Vд = n.
При использовании двоичного логарифма единицей информации будет
бит.
Бит – (Binary digit) - это количество информации, которое содержится
в одном двоичном разряде.
В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию"
памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и
"1", используемых для внутри машинного представления данных и команд.
Используются следующие единицы измерения информации:
1 байт = 8 бит (именно восемь бит требуется для того, чтобы
закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера);
1 Килобайт = 1024 байт (210 байт);
3
1 Мегабайт = 1024 Килобайт (220 байт);
1 Гигабайт = 1024 Мегабайт (230 байт);
Коэффициент
(степень)
(лаконичность)
информативности
сообщения определяется отношением количества информации к объему
данных, т.е.
Y =
I
, причем 0<Y<1
VД
С увеличение Y уменьшаются объемы работы по преобразованию
информации в системе. Поэтому стремятся к повышению информативности.
Семантическая мера информации. Для измерения смыслового
содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне. Самая
распространенная тезаурусная мера. Она связывает семантические свойства
информации
со
способностью
пользователя
принимать
поступившее
сообщение.
Тезаурус – это совокупность сведений, которыми располагает
пользователь или система.
Прагматическая
мера
информации.
Определяет
полезность
информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цели.
Для сопоставления введенные меры информации представим в таблице
1.
Таблица 1 – Единицы измерения информации и примеры
Мера информации
Единица измерения
Примеры (для
компьютерной области)
Синтаксическая
(шенноновский подход)
компьютерный подход
Семантическая
Степень
уменьшения
неопределенности
единицы представления
информации
Тезаурус
Вероятность события
Бит, байт, килобайт и
т.д.
Пакет
прикладных
программ,
персональный
компьютер,
компьютерные сети и
4
Экономические
показатели
Прагматическая
Ценность
использования
т.д.
Рентабельность,
производительность,
коэффициент
амортизации и т.д.
Емкость
памяти,
производительность
компьютера, скорость
передачи данных и т.д.
Денежное выражение
Время
обработки
информации и принятия
решений
Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным
типам
и
несущим
в
себе
различную
информацию
очень
важно
унифицировать форму их представления. Для этого обычно используется
прием кодирования.
Кодирование – это выражение данных одного типа через данные
другого типа.
Естественные человеческие языки – это ничто иное, как системы
кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи.
В вычислительной технике работа ведется с числовой информацией.
Остальная информация тексты, звуки, изображения и т.д. для обработки в
вычислительной среде должна быть преобразована в числовую форму. При
этом все числа в память компьютера записываются с использованием так
называемого двоичного кодирования. Двоичное кодирование основано на
представлении данных последовательностью всего двух знаков 0 и 1. Эти
знаки называются двоичными цифрами, по-английски binary digit или
сокращенно (bit) бит.
Двоичная система кодирования выбрана совсем не случайно. Она легко
реализуется технически. Электронные схемы для обработки двоичных кодов
должны находиться в одном из двух состояний «есть сигнал/нет сигнала»
5
или «высокое/низкое» напряжение и т.д. Схему легко переключать из одного
состояния в другое.
Бит – минимальная единица информации в вычислительной технике.
Один двоичный разряд.
Группа из восьми бит называется байт и обеспечивает основу записи
информации в память компьютера.
1024 байта = 1 килобайту (Кб)
1024 килобайта = 1мегабайту (Мб)
1024 мегабайта = 1 гигабайту (Гб)
1.4 Системы счисления
Для правильного понимания, как представляется информации в памяти
компьютера, рассмотрим различные системы счисления, используемые
современными вычислительными средствами.
Система счисления - это совокупность правил наименования и
изображения чисел с помощью набора знаков.
Системы счисления бывают позиционные и непозиционные.
Непозиционная система счисления – это система, где порядок цифры
в числе определяется по установленному правилу. Например, непозиционной
системой счисления является «римская» система.
Позиционной системой счисления, называется система - где порядок
цифры в числе определяется рядом степени числа, которое является
основанием данной системы счисления.
В общем виде целое число в позиционной системе счисления можно
представить выражением:
N (m) = k0 * m0 + k1 * m1 +...kn-1 * mn-1 ,
где
−
N( m )- число в m-ой системе счисления;
− m - разрядность системы (двоичная, восьмеричная, десятичная,
шестнадцатеричная системы m = 2; m = 8; m = 10, m = 16);
6
−
n – количество разрядов в числе;
−
k – цифра в числе.
Рассмотрим, как записываются числа в позиционных системах
счисления, используемых современной вычислительной техникой.
Десятичная система счисления. Основанием десятичной системы
является ряд степени числа 10. Разрядность системы m = 10. В десятичной
системе счисления 10 цифр (от 0 до 9). Возьмем, к примеру, десятичное
число 1957. Число, состоит из четырех цифр - четырехзначное, т.е. n =4.
Используя выше приведенную формулу, получим число в десятичной
системе счисления.
N(10) = 7*100 + 5*101 + 9*102 + 1*103 = 1957
Двоичная система счисления. Основанием двоичной системы является
ряд степени числа 2. Разрядность системы m = 2. В двоичной системе
счисления 2 цифры (0 и 1). Возьмем, к примеру, двоичное число 100011В (В–
идентификатор двоичной системы счисления). Число, состоит из шести цифр
- шестизначное, т.е. n = 6. Используя выше приведенную формулу, получим
десятичное число.
N(2) = 1*20 + 1*21 + 0*22 + 0*23 + 0*24 + 1*25 = 35,
т.е. двоичное число 100011В = десятичному числу 35.
Обратим внимание, что для записи чисел в позиционных системах
счисления могут быть использованы одинаковые цифры. Так цифры 0 и 1
используются как десятичной, так и двоичной системой. Поэтому в записи
чисел недесятичной системы счисления принято использовать буквы
являющиеся идентификаторами систем счисления и позволяющие отличить
числа одной системы счисления от другой.
Восьмеричная система счисления. Основанием восьмеричной системы
является ряд степени числа 8. Разрядность системы m = 8. В восьмеричной
системе счисления 8 цифр (от 0 до 7). Возьмем, к примеру, восьмеричное
число 573Q (Q–идентификатор восьмеричной системы счисления). Число,
7
состоит из трех цифр - трехзначное, т.е. n = 3. Используя выше приведенную
формулу, получим десятичное число.
N(8) = 3*80 + 7*81 + 5*82 = 379,
т.е. восьмеричное число 573Q = десятичному числу 379.
Шестнадцатеричная
система
счисления.
Основанием
шестнадцатеричной системы является ряд степени числа 16. Разрядность
системы m = 16. В шестнадцатеричной системе счисления 16 цифр (от 0 до
F), первые десять цифр от 0 до 9 совпадают с цифрами десятичной системы, а
затем идут цифры: A – цифра десять; B – цифра одиннадцать; C – цифра
двенадцать; D – цифра тринадцать; E – цифра четырнадцать; F – цифра
пятнадцать. Возьмем, к примеру, шестнадцатеричное число 1A7H (H–
идентификатор шестнадцатеричной системы счисления). Число, состоит из
трех цифр - трехзначное, т.е. n = 3. Используя выше приведенную формулу,
получим десятичное число.
N(16) = 7*160 + 10*161 + 1*162 = 423,
т.е. шестнадцатеричное число 1A7H = десятичному числу 423.
Каждый раз, вычисляя число N(m) по приведенной выше формуле мы
получаем число в десятичной системе. Таким образом, числа из 2-ой, 8-ой и
16-ой системы мы переводили в десятичную систему счисления.
Рассмотрим, как переводится число из десятичной системы счисления в
двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы. Для этого
перевода
необходимо
определить
цифры
соответствующей
системы
счисления, которыми будет записано число. Для этого необходимо делить
десятичное число на число являющееся основанием системы счисления до
тех пор, пока частное от деления не будет меньше этого числа, и затем
проанализировать результат деления.
Например, как мы выяснили ранее десятичное число 35 равно
двоичному числу 100011В. Попробуем его получить. Делим столбиком число
35 на число 2, являющееся основанием двоичной системы счисления.
8
35
2
34
17
2
16
8
1
8
1
0
2
4
2
4
2
0
2
1
0
Анализируя результат деления, складываем полученные цифры
системы в число справа налево. Получили двоичное число: 100011В
Десятичное число 379, как мы ранее узнали равно восьмеричному
числу 573Q. Проверим это. Делим столбиком число 379 на число 8,
являющееся основанием восьмеричной системы счисления.
379
376
3
8
47
40
8
5
7
Анализируя результат деления, складываем полученные цифры
системы в число справа налево. Получили восьмеричное число: 573Q.
Десятичное число 423, как мы ранее узнали равно шестнадцатеричному
числу 1А7Н. Проверим это. Делим столбиком число 423 на число 16,
являющееся основанием шестнадцатеричной системы счисления.
Анализируя результат деления, складываем полученные цифры
системы в число справа налево. Получили шестнадцатеричное число: 1А7Н.
9
423
16
416
7
26
16
16
1
10
A
Возникает вопрос, зачем нужны эти системы счисления. Ответ в
способах записи информации в компьютер. Поговорим об этом в следующей
лекции.
10
ВВЕДЕНИЕ
Любому
современному
квалифицированному
специалисту
для
успешного ведения дел в настоящее время желательно понять важность
информационных технологий и информационно-интеллектуальных систем,
так как неотъемлемой чертой современного общества является его
информатизация – насыщение производства и всех сфер жизни и
деятельности всевозрастающими потоками информации.
В аграрной цивилизации главным ресурсом были земля и низко
квалифицированные
трудовые
ресурсы.
В
индустриальном
обществе
главенствует капиталоемкая технология переработки природных ресурсов, а
к
труду предъявляются
повышенные
квалификационные
требования.
Основой индустриальной цивилизации стали гигантские вещественноэнергетические
потоки,
которые
часто
недостаточно
рационально
использовались в экономике. Переход общества к информационной эпохе
вводит в активный оборот информационные ресурсы и еще более повышает
требования к квалификации труда специалистов. Именно использование
информационных технологий дает возможность рационально распоряжаться
всеми
остальными
видами
ресурсов.
Активное
использование
информационных технологий позволяет получить решение, как эффективнее
и экономичнее, т.е. выгоднее организовать производство товаров или услуг.
Знания и информация становятся стратегическими ресурсами, поскольку
наряду с эмпирическим знанием и повседневным опытом в экономическую
деятельность
непосредственно
вовлекается
систематизированное
теоретическое знание. Оно становиться непосредственной производительной
силой.
Современному специалисту для достижения экономических целей
нужна опора в виде информации о профессиональном знании, особенностях
избранной сферы деятельности. Требуемая информация рассеяна по
множеству источников и в различных местах хранения. Цель модуля
1
информационные
технологии
–
собрать,
тематически
объединить
и
обработать информацию так, чтобы ускорить доступ к информации и
представить
ее
в виде,
удобном для
интерпретации
человеком –
пользователем информации. Сегодня в информационных технологиях нет
ограничений на вид собираемой информации и тип используемых носителей
информации.
Средства
позволяют
интегрировать
современных
информационных
разнообразную
информацию
технологий
и
создавать
всеобъемлющее поле информационных ресурсов. Это, безусловно, повышает
вероятность получения нового знания.
Информационное обогащение современной экономики – ее наиболее
характерная черта на современном этапе развития общества. Сейчас
выигрывает тот, кто эффективнее использует информационные технологии.
Информационная технология – это система методов и способов
сбора, хранения, обработки и передачи данных средствами вычислительной
техники, а также принципы функционирования этих средств и методы
управления ими.
1 Введение в информационные технологии
Изучив материал, студент должен знать:

законы получения, передачи и использования информационных ресурсов,
понятие сигнала, как средства передачи информации, носители информации, каналы
связи, данные, кодирование, передача, хранение, извлечение и отображение
информации;

характеристики информации;

основные единицы измерения количества и объема информации
Изучив материал, студент должен уметь:

решать задачи на определение количества и объема информации
1.1 Основные определения
Строгого и общепризнанного определения информации до сих пор не
существует, несмотря на то, что с информацией мы сталкиваемся постоянно,
поэтому вместо определения часто используют понятие об информации.
2
Термин "информация" происходит от латинского слова "informatio",
что
означает
сведения,
разъяснения,
изложение.
С
позиции
материалистической философии информация есть отражение реального мира
с помощью сведений (сообщений).
Сообщение – это форма представления информации в виде речи,
текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п.
Однако понятие информация часто трактуется по-разному.
Например, школьникам часто дают такое определение. Информация –
это то, что мы видим, слышим и можем передать в устной, письменной,
графической и любой другой форме. Математики утверждают, что
информация - первичное, неопределенное понятие, подобное понятию
множество.
Даже
наши
депутаты
дают
определение
информации.
Существует представление об информации как о совокупности данных,
повышающих уровень знаний об объективной реальности и окружающего
мира, определение некорректное и легко опровергается в рамках социальных
наук. Для информатики как технической науки понятие информации не
может основываться на таких антропоцентрических понятиях, как знание.
Понятие, безусловно, субъективное и свойственное пока только человеку.
Средства вычислительной техники обладают способностью обрабатывать
информацию автоматически. Эти средства могут работать с искусственной,
абстрактной и даже ложной информацией, не имеющей объективного
отражения.
Информация в наиболее общем понимании — это отражение
предметного мира с помощью знаков и сигналов.
В предлагаемом учебном пособии рассмотрим новый подход к
определению информации, который кажется авторам наиболее интересным,
наукоемким и в полной мере адекватным для такой науки как информатика.
В этом подходе четко различают такие понятия как данные и информация и
подчеркивают связь между ними. Как часто мы говорим, что вводим
информацию в компьютер, а по сути дела на машинных носителях у нас
3
записаны данные. Совершенно очевидно, что одни и те же данные могут в
момент потребления поставлять разную информацию в зависимости от
степени адекватности взаимодействующих с ними методов. В подтверждение
этих слов можно привести пример чтения американской справочной
информации русскоязычными пользователями компьютера. Разве люди,
владеющие в совершенстве английским языком, и те, кто немного читает и
переводит со словарем, получают одинаковую информацию. Владея,
разными по адекватности методами, они получают разную информацию.
Поэтому, определяя информацию как продукт взаимодействия данных
и адекватных им методов, четко разделяя понятия, данные и информация, а,
также вводя понятие информационный процесс, процесс, в ходе которого
данные преобразуются в информацию, мы приближаемся к наиболее
корректному определению информации с точки зрения такой науки как
информатика.
Рассматривая
информацию
с
этой
точки
зрения,
безусловно,
необходимо обратить внимание на следующие обстоятельства. Во-первых,
дать четкое определение данным. А во-вторых, обусловить диалектическое
единство данных и методов в информационном процессе.
Определяя данные, обратимся к такой науке как физика. Все то, что нас
окружает, с точки зрения физики, относиться либо к физическим телам, либо
к физическим полям. Из курса физики известно, что состояния абсолютного
покоя не существует. Все физические объекты находятся в состоянии
непрерывного движения и изменения, которое сопровождается изменением
энергии (переходом энергии из одного вида в другой). Все виды
энергообмена сопровождаются появлением сигнала.
Сигнал (от лат. signum — знак) - знак, физический процесс (или
явление), несущий информацию о каком-либо событии, состоянии объекта
наблюдения либо передающий команды управления, указания, оповещения.
Сигнал является материальным носителем информации, которая
передается от источника к потребителю.
4
Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс.
Такой процесс может содержать различные характеристики.
При взаимодействии сигнала с физическими телами возникают
определенные изменения свойств этих тел, которые можно зарегистрировать.
Таким образом, будем считать, что данные – это зарегистрированные
сигналы.
Характеристика, которая используется для представления данных,
называется параметром сигнала.
Если параметр сигнала принимает ряд последовательных значений и их
конечное число, сигнал называется дискретным.
Если параметр сигнала непрерывная функция, то сигнал называется
непрерывным.
Квантование сигнала - преобразование сигнала в последовательность
импульсов (квантование сигнала по времени) или в сигнал со ступенчатым
изменением амплитуды (квантование сигнала по уровню), а также
одновременно и по времени, и по уровню. Применяется при преобразовании
непрерывной величины в код в вычислительных устройствах, цифровых
измерительных приборах и др.
Данные, безусловно, несут в себе информацию, но они ей не
тождественны. Для того чтобы данные стали информацией необходимо
наличие методов пересчета одной величины в другую. Данные –
диалектическая составная часть информации. В соответствии с методом
регистрации данные могут храниться и транспортироваться на носителях
различных видов.
Самым распространенным носителем данных в настоящее время
является бумага. На бумаге данные регистрируются путем изменения
оптических характеристик ее поверхности. В то же время изменение
коэффициента отражения поверхности в определенном диапазоне длин волн
используется в устройствах, осуществляющих запись лазерным лучом на
пластмассовых носителях с отражающим покрытием (CD ROM). Магнитные
5
ленты и магнитные диски, служащие в современных компьютерах главными
носителями информации, используют изменение магнитных свойств тела.
Свойства информации получаемой пользователем, тесно связаны со
свойствами носителей данных, с которых эта информация будет получена.
Любой
носитель
можно
характеризовать
параметром
разрешающей
способности, т.е. количеством данных записанных в принятой на носителе
единице измерения, и динамическим диапазоном – логарифмическим
отношением интенсивности амплитуд максимального и минимального
регистрируемого сигнала. От этих свойств носителя зависят такие свойства
информации,
как
полнота,
доступность
и
достоверность.
Задача
преобразования данных с целью смены носителя относится к одной из
важнейших задач информатики. В стоимости вычислительных систем
устройства для ввода и вывода данных, работающие с носителями
информации, составляют не меньше половины стоимости аппаратных
средств.
Обуславливая
диалектическое
единство
данных
и
методов
в
информационном процессе, определяют следующие понятия.
Динамический характер информации. Данные имеют статичный
характер. Информация динамически меняется и существует только в момент
времени взаимодействия данных и методов. Таким образом, информация
существует только в момент протекания информационного процесса. Все
остальное время она содержится в виде данных.
Требования адекватности методов. Одни и те же данные могут в
момент потребления поставлять разную информацию, в зависимости от
степени адекватности взаимодействующих с ними методов. Использование
более адекватных методов даст более полную информацию.
Диалектический характер взаимодействия данных и методов. Данные
являются
объективными,
это
результат
регистрации
объективно
существовавших сигналов, вызванных изменениями в материальных полях
или телах. В тоже время методы являются субъективными. В основе
6
искусственных
методов
лежит
алгоритм,
т.е.
упорядоченная
последовательность команд, составленная и подготовленная человеком
(субъектом). В основе естественных методов лежат биологические свойства
субъектов информационного процесса.
Таким образом, информация возникает и существует в момент
диалектического взаимодействия объективных данных и субъективных
методов.
Информация – это результат взаимодействия данных и адекватных
им методов.
1.2 Количество и качество информации
Для того чтобы унифицировать форму представления данных
используют прием кодирование.
Кодирование – выражение данных одного типа через данные другого
типа.
Информационный процесс - процесс, в ходе которого данные
преобразуются в информацию.
Количество информации – это числовая характеристика сигнала,
которая не зависит от его формы и содержания и характеризует степень
неопределенности, которая исчезает после выбора (получения) сообщения в
виде данного сигнала.
В информатике используются различные подходы к измерению
информации:
Содержательный подход. Сообщение – это информативный поток,
который в процессе передачи информации поступает к приемнику.
Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем
сведения являются для него новыми и понятными Информация дает знания
человеку, а это значит, что сообщение должно быть информативно. Если
сообщение не информативно, то количество информации с точки зрения
человека = 0.
7
Алфавитный подход. Не связывает количество информации с
содержанием сообщения. Алфавитный подход – это объективный подход к
измерению информации. Он удобен при использовании технических средств
работы с информацией, т.к. не зависит от содержания сообщения.
Количество информации зависит от объема текста и мощности алфавита
Вероятностный
подход.
Учитывает
вероятность
появления
сообщений: более информативным считается то сообщение, которое менее
вероятно, т.е. менее всего ожидалось. Применяется при оценке значимости
получаемой информации.
Для измерения информации вводятся два параметра: количество
информации I и объем данных Vд.
Меры информации бывают следующие:
Синтаксическая мера информации – оперирует с обезличенной
информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту.
Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов
(разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд
имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных.
Предположим, что до получения информации пользователь имеет
предварительные сведения о системе α, и хочет получить сообщение β. Мера
неосведомленности
пользователя
выражена
функцией
Н(α),
а
дополнительная информация, которую он приобрел Iβ(α). Тогда количество
информации Iβ(α) определится по формуле:
Iβ(α)= Н(α) - Нβ(α),
т.е. количество информации измеряется изменением (уменьшением)
неопределенности состояния системы. А Нβ(α) – конечная неопределенность.
Если конечная неопределенность обратится в ноль, то количество
информации:
Iβ(α)= Н(α)
Энтропия системы Н(α) – это мера недостающей информации.
8
Энтропия системы Н(), имеющая N возможных состояний, согласно
формуле Шеннона, равна:
N
H (α ) = − ∑ Pi log Pi
i =1
где Pi – вероятность того, что система находится в i-м состоянии.
Для случая, когда все состояния системы равновероятны, т.е. их
вероятности равны Pi =
1
, ее энтропия определяется соотношением
N
N
H (α ) = − ∑
1
1
log
N
i =1 N
Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной
системе счисления, особенно это актуально при представлении информации
в компьютере.
N=mn
N – число всевозможных отображаемых состояний;
m – основание системы счисления;
n – число разрядов в сообщении.
Пример.
По
каналу
связи
передается
n-разрядное
сообщение,
использующее m различных символов. Так как количество всевозможных
кодовых комбинаций будет N=mn, то при равновероятности появления
любой из них количество информации, приобретенной абонентом в
результате получения сообщения, будет:
I = log N= n log m – формула Хартли
Если в качестве основания логарифма принять m, то I = n. В данном
случае количество информации будет равно объему данных I = Vд,
полученных по каналу связи. Для неравновероятных состояний системы
всегда I< Vд = n.
9
При использовании двоичного логарифма единицей информации будет
бит.
Бит – (Binary digit) - это количество информации, которое содержится
в одном двоичном разряде.
В вычислительной технике битом называют наименьшую "порцию"
памяти компьютера, необходимую для хранения одного из двух знаков "0" и
"1", используемых для внутри машинного представления данных и команд.
Используются следующие единицы измерения информации:
1 байт = 8 бит (именно восемь бит требуется для того, чтобы
закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера);
1 Килобайт = 1024 байт (210 байт);
1 Мегабайт = 1024 Килобайт (220 байт);
1 Гигабайт = 1024 Мегабайт (230 байт);
Коэффициент
(степень)
информативности
(лаконичность)
сообщения определяется отношением количества информации к объему
данных, т.е.
Y =
I
, причем 0<Y<1
VД
С увеличение Y уменьшаются объемы работы по преобразованию
информации в системе. Поэтому стремятся к повышению информативности.
Семантическая мера информации. Для измерения смыслового
содержания информации, т.е. ее количества на семантическом уровне. Самая
распространенная тезаурусная мера. Она связывает семантические свойства
информации
со
способностью
пользователя
принимать
поступившее
сообщение.
Тезаурус – это совокупность сведений, которыми располагает
пользователь или система.
Прагматическая
мера
информации.
Определяет
полезность
информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цели.
10
Для сопоставления введенные меры информации представим в таблице
1.
Качество информации является одним из важнейших параметров для
потребителя информации. Оно определяется следующими характеристиками:
репрезентативность – правильность отбора информации в целях
адекватного отражения источника информации. Например, в целях большей
репрезентативности данных о себе абитуриенты стремятся представить в
приемную
комиссию
как
можно
больше
свидетельств,
дипломов,
удостоверений и другой информации, подтверждающей их высокий уровень
подготовки, что учитывается при зачислении в ВУЗ;
Таблица 1 – Единицы измерения информации и примеры
Мера информации
Единица измерения
Примеры (для
компьютерной области)
Синтаксическая
(шенноновский подход)
компьютерный подход
Семантическая
Степень
уменьшения
неопределенности
единицы представления
информации
Тезаурус
Экономические
показатели
Прагматическая
Ценность
использования
Вероятность события
Бит, байт, килобайт и
т.д.
Пакет
прикладных
программ,
персональный
компьютер,
компьютерные сети и
т.д.
Рентабельность,
производительность,
коэффициент
амортизации и т.д.
Емкость
памяти,
производительность
компьютера, скорость
передачи данных и т.д.
Денежное выражение
Время
обработки
информации и принятия
решений
11
содержательность
–
семантическая
емкость
информации.
Рассчитывается как отношение количества семантической информации к ее
количеству в геометрической мере. Это характеристика сигнала, про который
говорят, что «мыслям в нем тесно, а словам просторно». В целях увеличения
содержательности сигнала, например, используют для характеристики
успеваемости абитуриента не полный перечень его аттестационных оценок, а
средний балл по аттестату;
достаточность (полнота) – минимальный, но достаточный состав
данных
для
достижения
целей,
которые
преследует
потребитель
информации. Эта характеристика похожа на репрезентативность, однако
разница состоит в том, что в данном случае учитывается минимальный
состав информации, который не мешает принятию решения. Например,
абитуриент – золотой медалист может не представлять в приемную
комиссию свой аттестат: диплом, подтверждающий получение золотой
медали, свидетельствует о полном наборе отличных оценок в аттестате;
доступность – простота (или возможность) выполнения процедур
получения и преобразования информации. Эта характеристика применима не
ко всей информации, а лишь к той, которая не является закрытой. Для
обеспечения доступности бумажных документов используются различные
средства оргтехники для их хранения, а для облегчения их обработки
используются средства вычислительной техники;
актуальность – зависит от динамики изменения характеристик
информации и определяется сохранением ценности информации для
пользователя
в
момент
ее
использования.
Очевидно,
что
касается
информации, которая используется при зачислении, она актуальна, так как
само обучение уже закончилось, и его результаты изменены быть не могут, а,
значит, остаются актуальными;
своевременность – поступление не позже заранее назначенного срока.
Этот параметр также очевиден недавним абитуриентам: опоздание с
12
представлением позитивной информации о себе при поступлении может
быть чревато не зачислением;
точность – степень близости информации к реальному состоянию
источника
информации.
Например,
неточной
информацией
является
медицинская справка, в которой отсутствуют данные о перенесенных
абитуриентом заболеваниях;
достоверность
–
свойство
информации
отражать
источник
информации с необходимой точностью. Эта характеристика вторична
относительно точности. В предыдущем примере получаемая информация
недостоверна;
устойчивость – способность информации реагировать на изменения
исходных данных без нарушения необходимой точности;
адекватность информации – это степень соответствия информации
реальному объективному состоянию дела;
объективность и субъективность информации. Более объективной
принято считать информацию, в которую методы вносят меньший
субъективный элемент (например, фотография и портрет;
ценность информации, – отражает, в какой степени она способствует
достижению целей и задач ее потребителя (например, управляющей
системы).
В прошлом информация считалась сферой бюрократической работы и
ограниченным инструментом для принятия решений. Сегодня информацию
рассматривают как один из основных ресурсов развития общества, а
информационные
системы
и
технологии
как
средство
повышения
производительности и эффективности работы людей.
Информационное общество — общество, в котором большинство
работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией
информации, особенно высшей ее формы — знаний.
Информатизация
общества
—
организованный
социально-
экономический и научно-технический процесс создания оптимальных
13
условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации
прав
граждан,
органов
государственной
власти,
органов
местного
самоуправления, организаций, общественных объединений на основе
формирования и использования информационных ресурсов
Информационная культура — умение целенаправленно работать с
информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи
компьютерную информационную технологию, современные технические
средства и методы.
Информационные ресурсы - в широком смысле - совокупность
данных,
организованных
для
эффективного
получения
достоверной
информации.
Информационные ресурсы — отдельные документы и отдельные
массивы документов, документы и массивы документов в информационных
системах
(библиотеках,
архивах,
фондах,
банках
данных,
других
информационных системах).
Информационный продукт — совокупность данных, сформированная
производителем для распространения в вещественной или невещественной
форме.
14
Заключительная лекция.
Тенденции развития современных информационных технологий
В настоящее время на рынке ИТ представлен широкий спектр
решений, разработанных разными производителями, по одинаковым или
отличающимся принципам, архитектурам, функциональным возможностям.
Проблема выбора конкретного вида технологии для потребителя сопряжена с
рисками, связанными с определением функциональности технологии, ее
перспективностью, позициями на рынке и т.д. Ошибка в стратегии выбора
ИТ
грозит потребителю существенными затратами на сопряжение
выбранной технологии с другими, имеющимися на рынке и перспективными,
на расширение выполняемых функций, а часто и на приобретение другой,
более совершенной технологии.
Поэтому при проведении выбора конкретной технологии потребитель
должен
помимо
традиционных
технических,
экономических
и
организационных факторов учитывать и общие тенденции и особенности
развития рынка ИТ.
Ошибка
в
стратегии
выбора
ИТ
грозит
потребителю
существенными затратами на сопряжение выбранной технологии с
другими, имеющимися на рынке и перспективными, на расширение
выполняемых функций…
Тенденции развития ИТ
Проанализируем процесс применения ИТ в различных областях
практического применения с использованием следующих критериев:
−
количество производителей (разработчиков) конкретного вида
−
количество технических решений по реализации ИТ;
−
совместимость технологий.
ИТ;
1
Рисунок 1 - Изменение стиля ведения бизнеса в современной компании
Современное состояние ИТ можно охарактеризовать следующими
положениями:
•
наличие
большого
количества
программно-аппаратных
комплексов и платформ для эффективного управления и сопровождения
производства, промышленно функционирующих баз данных и хранилищ
знаний большого объема, содержащих информацию по всем направлениям
деятельности общества;
•
наличие технологий, обеспечивающих интерактивный доступ
любого пользователя к информации и ресурсам — технической основой для
этого служат открытые (Free) и корпоративные системы поиска информации
(Information Retrieval Systems — IRS) государственные и коммерческие
системы связи, глобальные (Global Network Systems), национальные (NNS) и
региональные (RNS) информационно-вычислительные сети; международные
соглашения, стандарты и протоколы обмена данными;
•
расширение
функциональных
возможностей
ИТ,
обеспечивающих распределенную работу баз и хранилищ данных с данными
разнообразной структуры и содержания, мультиобъектных документов,
гиперсред;
создание
локальных
и
интегрированных
проблемно-
ориентированных ИС различного назначения на основе мощных серверов и
локально-вычислительных сетей;
•
включение в ИС специализированных интерфейсов пользователя
для взаимодействия с экспертными системами (Expert System — ES), систем
поддержки принятия решения (Decision Support System — DSS), систем
2
поддержки исполнения (Executive Support System — ESS), систем машинного
перевода (Translating Computer System — TCS) и другие технологии и
средства.
Также можно выделить пять основных тенденций в развитии
ИТ:
1.
мировом
Глобализация. Компании могут с помощью ИТ вести дела на
рынке,
где
угодно,
немедленно
получая
исчерпывающую
информацию. Происходит интернационализация программных средств и
рынка информационного продукта. Получение преимуществ за счет
постоянного распределения информационных расходов на более широкий
географический регион становится необходимым элементом стратегии.
2.
Конвергенция. Стираются различия между промышленными
изделиями и услугами, информационным продуктом и средствами его
получения, их профессиональным и бытовым использованием. Передача и
прием цифровых, звуковых и видеосигналов объединяются в одних
устройствах и системах.
3.
Усложнение
информационных
продуктов
и
услуг.
Информационный продукт в виде программно-аппаратных средств, баз и
хранилищ данных, служб эксплуатации и экспертного обеспечения имеет
тенденцию к постоянному развитию и усложнению. В то же время
интерфейсная часть ИТ при всей сложности решаемых задач постоянно
упрощается, делая все более комфортным интерактивное взаимодействие
пользователя и системы.
4.
Способность к взаимодействию (Interoperability). Проблемы
оптимального обмена данными между компьютерными информационными
системами, между системой и пользователями, проблемы обработки и
передачи данных и формирование требуемой информации приобрели статус
ведущих технологических проблем. Современные программно-аппаратные
средства и протоколы обмена данными позволяют решать их во все более
полном объёме.
3
5.
Ликвидация промежуточных звеньев (Disintermediation). Развитие
способности к взаимодействию однозначно ведет к упрощению доставки
информационного продукта к потребителю. Становится ненужной цепочка
посредников, если есть возможность размещать заказы и получать требуемое
непосредственно с помощью ИТ.
Применительно к бизнесу это означает следующее:
•
осуществление распределенной обработки данных, когда на
рабочем месте достаточно ресурсов для получения и анализа информации;
•
создание развитых систем коммуникации, когда рабочие места
объединены для максимально быстрой пересылки сообщений;
•
устранение помех в системе интеграции организация — внешняя
среда, прямой доступ в мировые информационные потоки;
•
создание и развитие систем электронных заказов и торговли;
•
поддержка социальных сетей.
Рассмотренные выше изменения требований к группам интересов в
сфере ИТ и информационной культуре компании обусловлены динамикой
развития предприятий и внешней среды и приводят к функциональным
изменениям в системе управления. Рассмотри основные аспекты этого
развития и их влияние на роль ИТ в управлении предприятием.
От обработки данных — к управлению знаниями
Уже давно отпала необходимость рассматривать ИТ только как
средство обработки данных. С помощью технологий из данных надо
извлекать информацию для нужд пользователя, а возникающая в этой связи
проблема
"информационных
перегрузок"
требует
современных
быстродействующих средств отбора, дальнейшей обработки и обновления
информации. При этом следует продумать вопрос о коммерчески выгодных и
удобных интерфейсах, а также о взаимодействии совместно используемых
знаний между организационными подразделениями и партнерами по
кооперации.
4
Быстрая интеграция сетей локальных систем с региональными и даже
интернациональными структурами приводит к отказу от классических
рабочих
полей
информатики
телекоммуникаций.
и
широкому
привлечению
это
к
Организационно
ведет
средств
"размыванию"
информационных границ предприятия. Все труднее становится определить,
где оно начинается и где кончается.
Создание
и
эксплуатация
соответствующей
коммуникационной
структуры для подобных "виртуальных предприятий" относятся к задачам
информационного менеджмента так же, как и классическая функция
обеспечения производственного процесса или разработки товаров и услуг на
базе ИТ. Дело при этом состоит не только в обработке информации, но и
рациональном распределении и использовании знаний. Знания должны
приносить прибыль и, если можно, сегодня!
Кроме того, работники и руководители предприятия должны
учитывать на профессиональном уровне все новые и важные для ИТ аспекты.
Примером может служить вопрос о технологическом и хозяйственном
значении
технологий
Internet/Intranet.
Именно
на
информационно-
технологической службе лежит ответственность за создание платформы, на
которой
станет
возможным
корпоративный
менеджмент,
включая
квалифицированную подготовку (в том числе и психологическую) персонала.
Децентрализация и рост информационных потребностей
Ориентация на максимальное сближение с клиентом потребовала от
предприятий перехода к горизонтальным, децентрализованным структурам.
Принятие решений в условиях децентрализации привело к резкому росту
потребностей в информации относительно процесса производства товаров и
услуг. Возникла необходимость в более подробном ознакомлении третьей
стороны с состоянием дел в соответствующих хозяйственных областях и
системами реализации качества продукта. В новой обстановке обеспечение
информацией по всем направлениям должно функционировать безупречно.
5
Использование
ИТ
призвано
нивелировать
организационную
сложность предприятия. Ранее это достигалось благодаря возложению на
компьютеры сложных вычислений и обработки документации в очень
больших
объемах.
Сейчас
речь
идет
о
том,
чтобы
непрерывно
усложняющиеся горизонтальные и вертикальные модели взаимосвязей
(структуры
которых
в
свою
очередь
постоянно
меняются)
совершенствовались с помощью новой коммуникационной технологии.
Ранее на предприятиях устанавливались мощные вычислительные
центры, готовившие огромное количество цифровых отчетов, на базе
которых
в
последующем
осуществлялось
управление
хозяйственной
деятельностью. Сейчас задача ИТ-служб компании состоит в том, чтобы
разработать такую технологию, с помощью которой можно было бы
постоянно держать в курсе событий менеджеров и их партнеров,
принимающих
решения
в
условиях
децентрализации.
Новые
информационно-технологические системы должны обеспечивать не какую-то
абстрактную хозяйственную систему, а конкретных партнеров, которые в
разнообразных формах участвуют в хозяйственном процессе.
Интеграция децентрализованных систем
Информация на предприятиях обрабатывается в рамках самых
разнообразных систем, часто не связанных друг с другом. Обеспечение их
широкой доступности для всех сотрудников (а также внешних партнеров) и
облегчение тем самым принятия творческих решений может стать
критически важным фактором успеха для многих предприятий. Вместе с тем,
объединение по вертикали и горизонтали информационно-технологических
систем,
возникших
в
условиях
децентрализации,
кажется
почти
невозможным. Во всяком случае, в классических областях ИТ опыт на этот
счет отсутствует. Тем не менее, интеграция должна произойти.
Постановка подобной цели необходима высшему менеджменту для
реального управления изменениями. Организационным рычагом в ее
6
достижении могут стать виртуальные, проектные и рабочие группы,
объединенные общими интересами выполнения текущих проектов и решения
долгосрочных задач. Возможно, такие группы смогут даже эффективно
управлять
функциями
распределенных
отделов
компании
и
сопровождающих их деятельность ИТ. Целью в этом случае мог бы стать
интеграционный подход к взаимосвязанным технологическим, социальным,
функциональным и хозяйственным процессам компании.
Капиталовложения и риски
Капиталовложения в ИТ сегодня влекут за собой многочисленные
последствия. С одной стороны, они открывают определенные перспективы, а
с другой — могут лишить предприятие перспективных возможностей в
будущем из-за зависимостей, связанных с быстрыми технологическими
изменениями
и
"привязки"
к
какой-либо
одной
технологии
или
определенному поставщику. Поэтому решения о капиталовложениях в ИТ не
должны приниматься, пока не будут оценены риски применения тех или
иных компьютерных и телекоммуникационных средств и не получена
профессиональная
консультация,
по
какому
пути
пойдет
развитие
следующего поколения технологии. При планировании капиталовложений в
ИТ необходимо в обязательном порядке "держать" в уме конечную цель их
приобретения и развёртывания — насколько ИТ будут способствовать
реализации бизнес-стратегии предприятия.
Психологический фактор и языковые уровни
Естественно, что новая технология повышает производительность,
помогает фирме добиться лучших хозяйственных результатов. Наряду с
этим, менеджеры должны знать о том, как мыслят и как работают люди,
использующие новую технологию. Фирмам, которым это удается лучше,
могут надеяться на большую отдачу от средств, вложенных в ИТ.
7
Изготовители информационной техники и интеграционные команды
должны научиться делать предложения не только в узкоспециальных
терминах. На переговорах партнер будет ставить вопросы, имеющие
принципиальное значение для высшего менеджмента в его компании. Здесь
важно, чтобы обе стороны вышли на новый переговорный уровень, на
котором стороны говорили бы на одном языке. Речь в этом случае идет
скорее не о качестве техники, а о качестве услуг в сфере ИТ. Техника,
разумеется, должна хорошо работать, быть на высоком уровне. Вместе с тем
ее изготовитель должен почувствовать себя на месте менеджера, который с
помощью ИТ стремится добиться конкурентных преимуществ. Чистый
продавец в системе сбыта ИТ уходит в прошлое. Аналогичная ситуация
должна складываться и на самом предприятии, особенно когда речь идет о
многопрофильном производстве или оказании разнообразных услуг. Умение
ИТ-менеджера находить общий язык с менеджерами подразделений должно
перестать быть искусством одиночек, а превратиться в повседневную
практику.
И еще раз вернемся к глобализации.
Появление комплексных технологий или гипертехнологий, в которых
согласованность реализации относится ко всему решению, уже можно
наблюдать в современной ИВТС.
1.
В области телекоммуникационных систем мы наблюдаем
появление таких комплексных технологий, как мультисервисные сети, сети
мобильной связи третьего поколения и т. д.
2.
В области информационных и информационно-управляющих
систем зарождение гипертехнологий (ГИТ) относится к интеграции
приложений, интеграции данных, интеграции систем, что проявляется в
решениях,
используемых
в
электронной
коммерции,
электронных
правительствах, системах автоматизации управленческой деятельности и
т. д.
8
3.
Для вычислительных систем это относится к созданию
многопроцессорных
вычислительных
комплексов
с
параллельными
вычислениями, grid-структурам и т. д.
Ожидаемое появление на рынке ИТ перспективных ГИТ неизбежно
вызовет вопрос: “А что же такое гипертехнология?”. Сформулируем
основные характеристические черты ГИТ:
−
значительный масштаб комплексной функциональной задачи
(КЗЧ), для решения которой будет применяться ГИТ;
−
широкое применение согласованного и взаимоувязанного набора
открытых международных стандартов и международных функциональных
стандартов;
−
совместимость ГИТ с другими ГИТ и ИТ;
−
наличие общей модели реализации ГИТ;
−
наличие общего архитектурного решения КЗЧ, реализуемого в
−
широкое использование типовых конструктивно-реализационных
ГИТ;
решений (протоколы, схемы, блоки и т. д.).
Появление ГИТ согласуется также с тенденциями к минимизации
технологических решений, вытекающими из оценок степени открытости
информационных систем.
Заключение
Многообразие решений, моделей и архитектур реализации ИТ,
разрабатывающихся в настоящее время, говорит о том, что сами процессы
развития ИТ находятся в фазе бурного роста и развития и увеличения
многообразия. Вместе с тем, в ближайшее время следует ожидать появления
стандартизованных (де-факто и де-юре) моделей и архитектурных решений
для широкого спектра видов ГИТ, а их дальнейшее развитие пойдет по пути
совершенствования.
9