Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

1. Функциональная организация персонального компьютера. Центральный процессор. Контролеры периферийных устройств. Структура и функции системной шины. Периферийные устройства (устройства ввода-вывода и т.д.). Принцип подключения периферийных устройств к системной шине

1.1 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

1.2 Внешние запоминающие устройства

1.3 Устройства ввода/вывода данных

1.4 Контроллеры периферийных устройств

1.5 Принципы подключения периферийных устройств

2. Модели решения функциональных и вычислительных задач. Классификация видов моделирования. Математические модели. Информационные модели. Понятие алгоритма и его свойства. Способы описания алгоритмов. Основные алгоритмические конструкции

2.1 Классификация моделей. Математические модели

2.2 Информационные модели

2.3 Понятие алгоритма и его свойства

2.4 Способы описания алгоритмов

2.5 Базовые управляющие структуры алгоритмов (основные алгоритмические конструкции)

Практическая часть

Литература

1. Функциональная организация персонального компьютера. Центральный процессор. Контролеры периферийных устройств. Структура и функции системной шины. Периферийные устройства (устройства ввода-вывода и т.д.). Принцип подключения периферийных устройств к системной шине

1.1 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

Центральный процессор

Центральный процессор (ЦП) - функционально-законченное программно-управляемое устройство обработки информации, выполненное на одной или нескольких СБИС. В современных ПК разных фирм применяются процессоры двух основных архитектур:

· Полная система команд переменной длины - Complex Instruction Set Computer (CISC);

· Сокращенный набор команд фиксированной длины - Reduced Instruction Set Computer (RISC).

Наиболее сложным функциональным устройством процессора является устройство управления выполнением команд. Оно содержит:

· Буфер команд, который хранит одну или несколько очередных команд программы; читает следующие команды из запоминающего устройства, пока выполняется очередная команда, уменьшая время ее выборки из памяти;

· Дешифратор команд расшифровывает код операции очередной команды и преобразует его в адрес начала микропрограммы, которая реализует исполнение команды;

· Управление выборкой очередной микрокоманды представляет собой небольшой процессор, работающий по принципу фон Неймана, имеет свой счетчик микрокоманд, который автоматически выбирает очередную микрокоманду из ПЗУ микрокоманд;

· Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микрокоманд - это запоминающее устройство, в которое информация записывается однократно и затем может только считываться; отличительной особенностью ПЗУ является то, что записанная в него информация сохраняется сколь угодно долго и не требует постоянного питающего напряжения.

Выборка очередной микрокоманды осуществляется через определенный интервал времени, который зависит от времени выполнения предыдущей микрокоманды. Частота, с которой осуществляется выборка микрокоманд, называется тактовой частотой процессора. Тактовая частота является важной характеристикой процессора, так как определяет скорость выполнения процессором команд, и, в конечном итоге, быстродействие процессора. компьютер процессор контролер

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) предназначено для выполнения арифметических и логических операций преобразования информации. Функционально АЛУ состоит из нескольких специальных регистров, полно разрядного сумматора и схем местного управления. 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 - это много разрядное устройство, каждый разряд которого представляет собой схему на логических элементах, выполняющих суммирование двух одноразрядных двоичных чисел с учетом переноса из предыдущего младшего разряда (полусумматор). Результатом является сумма входных величин и перенос в следующий старший разряд. Такое функциональное устройство называется одноразрядным, полным сумматором.

Регистры общего назначения (РОН) используются для временного хранения операндов исполняемой команды и результатов вычислений, а также хранят адреса ячеек памяти или портов ввода-вывода для команд, обращающихся к памяти и внешним устройствам. Если операнды хранятся в РОН, то время выполнения команды значительно сокращается.

Внутренние запоминающие устройства: оперативное запоминающее устройство, кэш-память, постоянное запоминающее устройство. Другим важным функциональным узлом компьютера является запоминающее устройство, или память. Память, в которой хранятся исполняемые программы и данные, называется оперативным запоминающим устройством (ОЗУ), или RAM (Random Access Memory) - памятью со свободным доступом. ОЗУ позволяет записывать и считывать информацию из ячейки, обращаясь к ней по ее номеру или адресу. Ячейка памяти имеет стандартное число двоичных разрядов - один байт. Информация в ОЗУ сохраняется все время, пока на схемы памяти подается питание, т.е. она является энергозависимой.

Существует два вида ОЗУ, отличающиеся техническими характеристиками: динамическое ОЗУ, или DRAM (Dynamic RAM), и статическое ОЗУ, или SRAM (Static RAM). Быстродействие динамического ОЗУ на порядок ниже, чем статического. Обычно, в качестве оперативной или видеопамяти используется динамическое ОЗУ. Статическое ОЗУ используется в качестве небольшой буферной сверхбыстродействующей памяти. В кэш - память из динамической памяти заносятся команды и данные, которые процессор будет выполнять в данный момент.

Скорость работы ОЗУ ниже, чем быстродействие процессора, поэтому применяются различные методы для повышения ее производительности. Например, размещение в одном корпусе микросхемы СБИС нескольких модулей памяти с чередованием адресов.

Для уменьшения влияния времени обращения процессора к ОЗУ и увеличения производительности компьютера дополнительно устанавливается сверхбыстродействующая буферная память, выполненная на микросхемах статической памяти. Эта память называется кэш-памятью (от анг. Cache - запас). Время обращения к данным в кэш-памяти на порядок ниже, чем ОЗУ, и сравнимо со скоростью работы самого процессора. Современные процессоры имеют встроенную кэш-память, которая находится внутри процессора, кроме этого есть кэш-память и на системной плате. Чтобы их различать, она делится на уровни. На кристалле самого процессора находится кэш-память первого уровня, она имеет объем порядка 16-128 Кбайт и самую высокую скорость обмена данными. В корпусе процессора, но на отдельном кристалле находится кэш-память второго уровня, которая имеет объем порядка 256 Кбайт - 2 Мбайта. Кэш-память третьего уровня расположена на системной плате, ее объем может составлять 16 - 1000 Мбайт.

Использование процессом кэш-памяти увеличивает производительность процессора, особенно в тех случаях, когда происходит последовательное преобразование относительно небольшого числа данных, которые постоянно во время преобразования хранятся в кэш-памяти.

В одном адресном пространстве с ОЗУ находится специальная память, предназначенная для постоянного хранения таких программ, как тестирование и начальная загрузка компьютера, управление внешними устройствами. Она является энергонезависимой, т.е. сохраняет записанную информацию при отсутствии питания. Такая память называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) или ROM (Read Only Memory). Постоянные запоминающие устройство можно разделить по способу записи с них информации на следующие категории:

ПЗУ, программируемые однократно. Программируются при изготовлении и не позволяют изменять записанную в них информацию.

Перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Позволяют перепрограммировать их многократно. Изменение содержания ППЗУ можно выполнять как непосредственно в составе вычислительной системы (такая технология называется флэш - технологией), так и вне ее, на специальных устройствах, называемых программаторами.

Внутренние шины

Общая шина, наряду с центральным процессором и запоминающим устройством, во многом определяет производительность работы компьютера, так как обеспечивает обмен информацией между функциональными узлами. Общая шина делится на три отдельные шины по типу передаваемой информации: шина адреса, шина данных, шина управления. Каждая шина характеризуется: шириной - числом параллельных проводников для передачи информации; тактовой частотой - частотой, на которой работает контроллер шины при формировании циклов передачи информации.

Шина адреса предназначена для передачи адреса ячейки памяти или порта ввода-вывода. Ширина шины адреса определяет максимальное количество ячеек, которое она может напрямую адресовать. Если ширина шины адреса n, то количество адресуемой памяти равно 2ⁿ.

Шина данных предназначена для передачи команд и данных, и ее ширина во многом определяет информационную пропускную способность общей шины. В современных компьютерах ширина шины данных составляет 32 - 64.

Шина управления включает в себя все линии, которые обеспечивают работу общей шины. Ее ширина зависит от типа шины и определяется алгоритмом ее работы или протоколом работы шины. Протокол работы шины состоит из нескольких циклов и выполняется контроллером шины, расположенным внутри процессора , или отдельным контроллером шины.

Разработчики предлагают включать в состав компьютера дополнительные шины, связывающие напрямую центральный процессор и отдельные наиболее быстродействующие устройства. Такие шины получили название локальных шин. Локальные шины используются для подключения к процессору запоминающего устройства и видеоконтроллера.

Основные характеристики общих и локальных шин, применяемых в ПК фирмы IBM.

Общая шина PCI применяется в настольных компьютерах, в настоящее время используется модификация PCI 2/1/ Тактовая частота контроллера этой шины 66 МГц, ширина шины адреса - 32, а шины данных - 64 разряда. Пиковая пропускная способность шины 528 Мбайт/с.

Общая шина PCMCIA применяется в переносных компьютерах класса ноутбук и имеет параметры, сравнимые с параметрами шины PCI/

Локальная шина для подключения видеоконтроллера AGP позволяет организовать непосредственную связь видеоконтроллера и оперативного запоминающего устройства. Она ориентирована на массовую передачу видеоданных. Имеет конвейерную организацию выполнения операций чтения/записи, что позволяет избежать задержек при обращении к модулям памяти. За один такт работы может передать два, четыре или восемь блоков данных, в зависимости от установленного режима работы. При установке режима параллельной передачи восьми блоков обеспечивает пиковую скорость передачи 2112 Мбайт/с.

1.2 Внешние запоминающие устройства

В отличие от оперативного запоминающего устройства, внешние запоминающие устройства (ВЗУ) обладают большим объемом сохраняемой информации и являются энергонезависимыми. Наибольшее распространение получили дисковые ВЗУ, которые, в зависимости от типа носителя, можно разделить на магнитные, оптические и смешанные.

Магнитные диски используют магнитные материалы со специальными свойствами, позволяющими фиксировать два состояния. Информация на магнитные диски записывается и считывается магнитной головкой, которая перемещается радиально с фиксированным шагом, а сам диск при этом вращается вокруг своей оси. Головка считывает или записывает информацию, расположенную на концентрической окружности, которая называется дорожкой или треком. Каждая дорожка дополнительно разбивается на ряд участков - секторов. Сектор содержит минимальные блок информации, который может быть записан или считан с диска. Чтение и запись на диск осуществляется блоками, поэтому дисководы называют блочными устройствами.

Физическая структура диска определяется количеством дорожек и числом секторов на каждой дорожке. Она задается при форматировании диска, которое выполняется специальными программами и должна быть произведена перед первым использованием диска для записи информации.

Кроме физической структуры диска, говорят еще о логической структуре. Логическая структура определяется файловой системой, которая реализована на диске и зависит от операционной системы компьютера, на котором используется данный диск.

Накопители на оптических дисках

Оптический компакт-диск, который был предложен в 1982 г. фирмами Philips и Sony первоначально для записи звуковой информации, идеально подходил для записи цифровой информации больших объемов на сменном носителе. Объем информации, записанной на компакт-диске, составляет 600-700 Мбайт. К достоинствам можно отнести и его относительную дешевизну, высокую надежность и долговечность, нечувствительность к загрязнению и воздействию магнитных полей. В середине 90-х гг. появились устройства, устанавливаемые непосредственно на компьютере и позволяющие производить однократную запись информации на компакт-диск. Для таких устройств выпускают специальные компакт-диски, которые получили название CD- Recodable (CD-R).

Позднее появились компакт-диски с возможностью перезаписи - CD-ReWritable (CD-RW).

Дальнейшее развитие технологии производства компакт-дисков привело к созданию дисков с высокой плотностью записи - цифровой универсальный диск Digital Versatile Disk (DVD). Объем записываемой информации на диске достигает 4,7 Гбайт. Дальнейшее увеличение объема информации обеспечивается применением двусторонних DVD.

Флэш-память.

К недостаткам дисковой памяти можно отнести наличие механических движущихся компонентов, имеющих малую надежность, и большую потребляемую мощность при записи и считывании. Появление большого числа цифровых устройств (МР3-плееры, цифровые фото- и видеокамеры, карманные компьютеры) потребовало разработки миниатюрных устройств внешней памяти, обладающих малой энергоемкостью, значительной емкостью и обеспечивали бы совместимость с персональными компьютерами. Первые промышленные образцы такой памяти появились в 1994 г. и получили название флэш-память.

Флэш-память представляет собой микросхему перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) с неограниченным числом циклов перезаписи. Конструктивно флэш-память выполняется в виде отдельного блока, содержащего микросхему флэш-памяти и контроллер, для подключения к одному из стандартных входов компьютера. Размеры этого блока 40 х 16 х 7 мм. Флэш-память, используемая в других цифровых устройствах, имеет иные размеры и конструктивное оформление. В настоящее время объем флэш-памяти достигает нескольких Гбайт, скорость записи и считывания составляют десятки Мбайт/с.

1.3 Устройства ввода/вывода данных

Видеотерминалы

Видеотерминалы предназначены для оперативного отображения текстовой и графической информации в целях визуального восприятия ее пользователей. Видеотерминал состоит из видеомонитора (дисплея) и видеоконтроллера.

Для ПК используются мониторы следующих типов:

На основе электроннолучевой трубки (ЭЛТ);

На основе жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, LCD - Liguid Crystal Display);

Плазменные мониторы (PDP - Plasma Display Panels);

Электролюминесцентные мониторы (FED - Field Emission Display);

Самоизлучающие мониторы (LEP - Light Emission Plastics).

Основные характеристики мониторов:

Размер экрана монитора - задается величиной диагонали в дюймах. Домашние ПК оснащаются мониторами с размерами 15 или 17 дюймов, а для профессиональной работы, требующей отображения мелких деталей, используются мониторы с размерами 21 и 22 дюйма.

Разрешающая способность - определяется числом пикселей (световых точек) по горизонтали и вертикали. Стандартные значения разрешающей способности современных мониторов следующие: 800 х 600, 1024 х 768, 1800 х 1440, 2048 х 1536 и др. Значение разрешающей способности определяет качество изображения на экране.

Рабочая частота кадровой развертки - определяет скорость смены кадров изображения. Она влияет на утомляемость глаз при продолжительной работе на компьютере. Чем выше частота кадровой развертки, тем меньше утомляемость глаз. Частота смены кадров во многом зависит от разрешающей способности экрана: чем выше разрешающая способность, тем меньше частота смены кадров. Например, при разрешении 800 х 600 максимальная частота смены кадров может составить 120 Гц, а при разрешении 1600 х 1200 - 67 Гц. На разрешающую способность монитора и качество изображения влияет объем видеопамяти. Современные видеоконтроллеры для хранения цвета каждого пикселя расходуют 4 байт памяти, для чего необходимо иметь объем видеопамяти от 32 до 128 Мбайт. Больший объем видеопамяти позволяет устанавливать более высокий режим разрешения и большее число цветов для каждого пикселя.

Мониторы на основе ЭЛТ используют электроннолучевые трубки, применяемые в обычный телевизионных приемниках, и устройство, формирующее на экране точки (пиксели). Для цветных мониторов цвет точки создается смещением тех основных цветов (красного, зеленого и синего) и зависит от интенсивности каждого электронного луча. Цветной монитор может отображать до 16 млн. оттенков в каждой точке.

Мониторы на жидкокристаллических индикаторах представляют собой плоские панели. Эти мониторы используют специальную, прозрачную жидкость, которая при определенных напряжениях электростатического поля кристаллизируется, при этом изменяется ее прозрачность и коэффициент преломления световых лучей. Эти эффекты используются для формирования изображения. Эти мониторы имеют лучшую яркость и предоставляют возможность смотреть на экран даже с отклонением до 45^о от вертикали.

В плазменных мониторах изображение формируется светом, выделяемым при газовом разряде в каждом пикселе экрана. Большими преимуществами таких мониторов являются высокая яркость и контрастность, отсутствие дрожания изображения, а также большой угол отклонения от нормали, при котором изображение сохраняет высокое качество. К недостаткам можно отнести недостаточную пока разрешающую способность и достаточно быстрое (пять лет при офисном использовании) ухудшение качества люминофора. Пока такие мониторы используют только для конференций и презентаций.

Электролюминесцентные мониторы состоят из двух пластин, с ортогонально нанесенными на них прозрачными проводниками. На одну из пластин нанесен слой люминофора, который начинает светится при подаче напряжения на проводники в точке их пересечения, образуя пиксель.

Самоизлучающие мониторы используют матрицу пикселей, построенную на основе полупроводникового материала, излучающего свет при подаче на него напряжения (светодиод). На сегодняшний день имеются монохромные самоизлучающие дисплеи с желтым свечением, но они уступают по сроку службы LCD мониторам. Достоинства таких мониторов заключаются в том, что они обеспечивают 180-градусный обзор, работают при низком напряжении питания и имеют малый вес.

Устройства ввода информации

Клавиатура. Клавиатурой называется устройство для ручного ввода информации в компьютер. Современные типы клавиатур различаются, в основном, принципом формирования сигнала при нажатии клавиши.

Среди современных типов клавиатур можно отметить беспроводную, в которой передача информации в компьютер происходит с помощью датчика инфракрасного излучения, аналогично пультам управления различной бытовой техники. Такая клавиатура позволяет работать в любом удобном для пользователя месте, не привязываясь к расположению системного блока. Можно также отметить гибкую резиновую клавиатуру, которая работает бесшумно, защищена от механических и химических разрушающих воздействий, очень тонкая и может быть свернута в виде цилиндра.

Клавиатурный процессор, который обрабатывает сигналы от клавиатуры, определяет номер клавиши, которая была нажата, так называемый скан-код, а сервисные программы операционной системы определяют, какой именно символ или команда были введены. Такой подход позволяет сопоставлять каждой клавише больше одного символа.

Манипулятор типа «мышь». В качестве дополнительных устройств для ручного ввода информации наиболее широко используются устройства графического ввода типа «мышь» и устройства для ввода информации в игровые программы - джойстики.

Манипулятор «мышь» представляет необходимое средство для работы с компьютером. Мышь представляет собой электронно-механическое устройство, внешний вид которой и принцип действия весьма разнообразны. Наиболее популярные типы мыши, применяемые в настольных компьютерах, имеют вид небольшой коробочки, сверху которой находятся две кнопки управления командами мыши и колесико скроллинга, применяемого для прокрутки информации в некоторых приложениях. На нижней части находится механическое или электронное устройство, отслеживающее перемещение мыши по поверхности. В портативных компьютерах мышь вмонтирована в его корпус и представляет собой площадку с сенсорами, которые отслеживают движение пальца по площадке и силу его давления и перемещают курсор по экрану или, при более сильном нажатие, выполняют команду. Такие устройства получили название трекпоинты или трекпады. Выпускаются мыши, передающие информацию в компьютер по инфракрасному каналу. У таких мышей отсутствует «хвостик», связывающий ее с компьютером, из-за которого она и получила свое имя.

Джойстик. Манипулятор типа является основным устройство для управления многочисленными компьютерными играми. Простейший джойстик представляет собой основание с укрепленной на нем рукояткой, на которой размещены четыре кнопки и двухпозиционный курок. Функции всех кнопок и положения рукоятки программируются и для разных игр могут иметь разные действия. Джойстики обеспечивают больший контроль над игрой и значительно полнее передают реальную игровую ситуацию. Для подключения джойстика используется стандартный вход, размещаемый обычно на разъеме звуковой карты, или другой стандартный вход компьютера.

Устройства печати

Существует несколько типов устройств, обеспечивающих получение твердой копии электронного документа на бумаге или другой материале. Наиболее распространены два типа таких устройств: принтеры и плоттеры.

Печатающие устройства (принтеры) предназначены для вывода информации на бумагу. Все принтеры могут выводить текстовую информацию, многие из них могут выводить также рисунки и графики, а некоторые принтеры могут выводить и цветные изображения. Существует несколько тысяч моделей принтеров, которые могут использоваться с IBM PC. Как правило, применяются принтеры следующих типов: матричные, струйные и лазерные, однако встречаются и другие (светодиодные, термопринтеры и т.д.).

Основной характеристикой принтера, определяющей качество бумажного документа, является разрешающая способность, измеряющаяся числом элементарных точек, которые помещаются на одном дюйме. Чем выше разрешающая способность, тем точнее воспроизводятся детали изображения. Современные принтеры обеспечивают разрешение от 200 до 2880 dpi.

Еще одной важной характеристикой является производительность принтера, которая измеряется количеством страниц, изготовляемых принтером в минуту. Обычно производительность указывается для страниц формата А4.

Плоттеры. Плоттеры, или графопостроители, используются, в основном, для вывода графической информации - чертежи, схемы диаграммы и т.п. Основное достоинство заключается в том, что они предназначены для получения изображения на бумаге большого формата, например, А1.

Плоттеры делятся два больших класса: векторные и растровые. В векторных плоттерах пишущих узел перемещается относительно бумаги сразу по вертикали и горизонтали, вычерчивая на бумаге непрерывные кривые в любом направлении. В растровых - пишущий узел перемещается относительно бумаги только в одном направлении. Изображение формируется строка за строкой из последовательности точек.

Векторные плоттеры используют для рисования узел, который называется пером. В качестве пера, используются перья с чернилами, фибровые и пластиковые стержни (фломастеры), карандашные грифели и мелки или шариковые узлы однократного и многократного действия. Перьевые плоттеры обеспечивают высокое качество изображений, но имеют невысокую скорость работы. Постепенно перьевые и шариковые узлы плоттеров вытесняются струйными узлами, аналогичными узлам струйных принтеров.

Растровые плоттеры могут иметь струйный или лазерный пишущий узел. Их основное отличие от принтеров с подобным принципом работы в ширине обрабатываемого изображения.

Сканеры.

Сканеры являются наиболее распространенными устройства для решения задачи перевода бумажных документов в электронные копии. Их можно классифицировать по целому ряду признаков. Прежде всего, сканеры бывают черно-белые и цветные.

Важной характеристикой сканеров является разрешающая способность, измеряющаяся количеством различаемых точек на дюйм изображения, и составляет от 75 до 1600 dpi. Для нормального распознавания образов, в частности, текстов, вполне достаточно 300-600 dpi. Разрешение необходимо выбирать индивидуально для каждого конкретного использования сканируемого изображения.

Увеличение разрешения резко увеличивает размер файла.

Конструктивно сканеры делятся на три типа: ручные, планшетные и роликовые.

1.4 Контроллеры периферийных устройств

Для управления работой устройств в компьютерах используются электронные схемы - контроллеры.

Контроллер -- это электронное устройство, предназначенное для подключения к магистрали компьютера разных по принципу действия, интерфейсу и конструктивному исполнению периферийных устройств.

К термину "контроллер" очень близок по смыслу другой термин -- "адаптер". Назначение обоих одинаково, но контроллер несколько сложнее: "подразумевается его некоторая активность -- способность к самостоятельным действиям после получения команд от обслуживающей его программы. Сложный контроллер может иметь в своем составе и собственный процессор"". На уровне рядового пользователя данные понятия практически неразличимы и могут считаться синонимами.

Еще одним похожим устройством является сопроцессор. Сопроцессоры "помогают" основному (центральному) процессору, который исполняет программу, реализовывать сложные специфические функции. Примером может служить графический сопроцессор, выполняющий геометрические построения и обработку графических изображений, -- его вполне можно считать графическим контроллером. Несколько особняком стоит математический сопроцессор, который выполняет свои функции "в одиночку", не управляя никакими внешними устройствами.

Все перечисленные выше устройства служат для уменьшения нагрузки на центральный процессор и повышают общую производительность системы. Значение контроллеров состоит в том, что они освобождают процессор от наиболее медленных функций ввода/вывода информации. Идеи применения специализированных интеллектуальных схем для разгрузки центрального процессора были наложены еще в третьем поколении ЭВМ в больших машинах коллективного пользования IBM-36O (в СССР данное семейство машин известно в качестве "аналога" под именем ЕС ЭВМ). В четвертом поколении возникла технологическая возможность собирать схемы управления в едином кристалле, и появились микроконтроллеры.

В состав контроллера, как правило, входят: собственный микропроцессор, ОЗУ, ПЗУ, регистры внешних устройств (через них контроллер взаимодействует с центральным процессором), буферные (согласующие) схемы. В определенном смысле сложный контроллер является упрощенной специализированной ЭВМ.

Для работы ПК, необходимо чтобы в его ОЗУ находилась программа и данные. Попадают они в ОП из различных устройств - клавиатуры, дисков и т.д. Обычно эти устройства называются внешними, хотя некоторые из них находятся внутри системного блока. Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства - монитор, диски, принтер. Таким образом для работы ПК необходим обмен информацией между ОП и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом / выводом. Для этого существуют два звена.

1. Для каждого внешнего устройства в ПК имеется электронная схема которая им управляет. Эта схема называется контроллером или адаптером.

2. Все контроллеры взаимодействуют с МП и ОЗУ через системную магистраль передачи данных, которую называют шиной. Все компоненты ПК подключаются к шине при помощи разъемов расширения системы - слотов.

1.5 Принципы подключения периферийных устройств

Все периферийные устройства подключаются только к системному блоку. Для работы конкретного устройства в составе конкретного комплекта ПЭВМ необходимо иметь:

1. Контроллер (адаптер) - специальную плату, управляющую работой конкретного периферийного устройства. Например, контроллер клавиатуры, мыши, адаптер монитора, портов и т.п.

2. Драйвер - специальное программное обеспечение, управляющее работой конкретного периферийного устройства. Например, драйвер клавиатуры, драйвер принтера и т.п.

Различные устройства используют разные способы подключения к контроллерам:

· некоторые устройства (дисковод для дискет, клавиатура и т. д.) подключаются к имеющимся в составе компьютера стандартным контроллерам (интегрированным или встроенным в материнскую плату);

· некоторые устройства (звуковые карты, многие факс-модемы и т. д.) выполнены как электронные платы, т. е. смонтированы на одной плате со своим контроллером;

· некоторые устройства используют следующий способ подключения: в системный блок компьютера вставляется электронная плата (контроллер), управляющая работой устройства, а само устройство подсоединяется к этой плате кабелем;

· на сегодняшний день большинство внешних устройств подключаются к компьютеру через USB-порт.

Платы контроллеров вставляются в специальные разъемы (слоты) на материнской плате компьютера.

С помощью добавления и замены плат контроллеров пользователь может модифицировать компьютер, расширяя его возможности и настраивая его по своим потребностям. Например, пользователь может добавить в компьютер факс-модем, звуковую карту, плату приема телепередач и т. д.

Одним из видов контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Часто этот контроллер интегрирован в состав материнской платы. Контроллер портов ввода-вывода соединяется кабелями с разъемами на задней стенке компьютера, через которые к компьютеру подключаются принтер, мышь и некоторые другие устройства.

Кроме контроллеров портов ввода-вывода в системном блоке присутствуют разъемы шины USB - универсальной последовательной шины, к которой можно подключить клавиатуру, мышь, принтер, модем, дисковод компакт-дисков, сканер и т. д. Основное требование возможность подключения к данной шине устройства. Особенность шины USB - возможность подключения к ней устройств во время работы компьютера (не выключая его).

В отличие от внутренних компонентов, для установки периферийных устройств не нужно открывать корпус.



2. Модели решения функциональных и вычислительных задач. Классификация видов моделирования. Математические модели. Информационные модели. Понятие алгоритма и его свойства. Способы описания алгоритмов. Основные алгоритмические конструкции

2.1 Классификация моделей. Математические модели

В зависимости от характера изучаемых процессов в системе и цели моделирования существует множество типов моделей и способов их классификации, например, по цели использования, наличию случайных воздействий, отношению ко времени, возможности реализации, области применения и др. (табл.).

Классификация видов моделей

По способу отражения свойств объекта (по возможности реализации)	По цели использования	По наличию воздействий на систему	По отношению ко времени	По области применения
Реальные (натурные, физические). Мысленные (наглядные, символические, математические). Информационные	Научный эксперимент. Комплексные испытания и производственный эксперимент. Оптимизационные модели	Детерминированные. Стохастические	Статические. Динамические (дискретные, непрерывные)	Универсальные. Специализированные

По способу отражения свойств объекта (по возможности реализации) модели классифицируются на предметные (реальные, материальные) и абстрактные (мысленные, информационные - в широком смысле). В узком смысле под информационными понимаются абстрактные модели, реализующие информационные процессы (возникновение, передачу, обработку и использование информации) на компьютере.

Предметные модели представлены реальными объектами, воспроизводящими геометрические, физические и другие свойства моделируемых систем в материальной форме (глобус, манекен, макет, муляж, каркас и др.).

Реальные модели делят на натурные (проведение исследования на реальном объекте и последующая обработка результатов эксперимента с применением теории подобия) и физические (проведение исследования на установках с аналогичными изучаемому процессами, которые сохраняют природу явления и обладают физическим подобием).

Абстрактные модели позволяют представлять системы, которые трудно или невозможно моделировать реально, в образной или знаковой форме. Образные или наглядные модели (рисунки, фотографии) представляют собой наглядные зрительные образы, зафиксированные на материальном носителе информации (бумага, плёнка).

Знаковые или символьные модели представляют основные свойства и отношения моделируемого объекта с использованием различных языков (знаковых систем), например, географические карты. Вербальные модели - текстовые - используют для описания объектов средства естественного языка. Например, правила дорожного движения, инструкция к прибору.

Математические модели - широкий класс знаковых моделей, использующих математические методы представления (формулы, зависимости) и получения исследуемых характеристик реального объекта.

Назовём некоторые разновидности математических моделей:

Дескриптивные (описательные) - констатируют фактическое положение дел, без возможности влияния на моделируемый объект.

Оптимизационные - дают возможность подбирать управляющие параметры. Игровые - изучают методы принятия решений в условиях неполной информации.

Имитационные - подражают реальному процессу.

По цели использования модели классифицируются на научный эксперимент, в котором осуществляется исследование модели с применением различных средств получения данных об объекте, возможности влияния на ход процесса с целью получения новых данных об объекте или явлении; комплексные испытания и производственный эксперимент, использующие натурное испытание физического объекта для получения высокой достоверности о его характеристиках; оптимизационные, связанные с нахождением оптимальных показателей системы (например, нахождение минимальных затрат или определение максимальной прибыли).

По наличию случайных воздействий на систему модели делятся на детерминированные (в системах отсутствуют случайные воздействия) и стохастические (в системах присутствуют вероятностные воздействия). Эти же модели некоторые авторы классифицируют по способу оценки параметров системы: в детерминированных системах параметры модели оцениваются одним показателем для конкретных значений их исходных данных; в стохастических системах наличие вероятностных характеристик исходных данных позволяет оценивать параметры системы несколькими показателями.

По отношению ко времени модели разделяют на статические, описывающие систему в определённый момент времени, и динамические, рассматривающие поведение системы во времени. В свою очередь, динамические модели подразделяют на дискретные, в которых все события происходят по интервалам времени, и непрерывные, где все события происходят непрерывно во времени.

По области применения модели подразделяют на универсальные, предназначенные для использования многими системами, и специализированные, созданные для исследования конкретной системы.

2.2 Информационные модели

Информационные модели во многих случаях опираются на математические модели, так как при решении задач математическая модель исследуемого объекта, процесса или явления неизбежно преобразуется в информационную для её реализации на компьютере. Определим основные понятия информационной модели.

Информационным объектом называется описание реального объекта, процесса или явления в виде совокупности его характеристик (информационных элементов), называемых реквизитами. Информационный объект определённой структуры (реквизитного состава) образует тип (класс), которому присваивают уникальное имя. Информационный объект с конкретными характеристиками называют экземпляром. Каждый экземпляр идентифицируется заданием ключевого реквизита (ключа). Одни и те же реквизиты в различных информационных объектах могут быть как ключевыми, так и описательными. Информационный объект может иметь несколько ключей.

2.3 Понятие алгоритма и его свойства

«Алгоритм» является базовым основополагающим понятием информатики, а алгоритмизация и программирование - основным разделом курса информатики (ядром курса). Понятие алгоритма, как и понятие информации, даётся множеством самых разнообразных определений - от «наивно-интуитивных» («алгоритм - это план решения задачи») до «строго формализованных» (нормальные алгоритмы Маркова). Понятие алгоритма, являющееся фундаментальным в математике и информатике, возникло задолго до появления средств вычислительной техники.

Термин «алгоритм (алгорифм)» появился в Средние века, когда европейцы знакомились со способами выполнения арифметических действий в десятичной системе счисления по книге узбекского математика Абу Джафара Муххамада ибн Мусы аль-Хорезми (783-850 г.) «Арифметика индусскими цифрами», получившей широкую известность. Слово «алгоритм» есть результат европейского произношения слов «аль-Хорезми» («аль-Хорезми» - человек из города Хорезми; в настоящее время город Хива в Хорезмской области Узбекистана).

Единого определения понятия алгоритма нет. Первоначально под алгоритмом понимали способ выполнения арифметических действий над десятичными числами. В дальнейшем алгоритмом стали называть точное предписание, определяющее порядок действий, обеспечивающий получение требуемого результата из исходных данных за конечное число шагов.

Алгоритм (по Д. Э. Кнуту) - это конечный набор правил, который определяет последовательность операций для решения конкретного множества задач и обладает пятью важными чертами: конечность, определённость, ввод, вывод, эффективность.

Алгоритм (по А. Н. Колмогорову) - это система вычислений, выполняемых по строго определённым правилам, которая после какого-либо числа шагов заведомо приводит к решению поставленной задачи.

Алгоритм (по А. А. Маркову) - это точное предписание, определяющее вычислительный процесс, идущий от варьируемых исходных данных к искомому результату.

Алгоритм может быть предназначен для выполнения его человеком или автоматическим устройством.

Применительно к ЭВМ алгоритм определяет вычислительный процесс, начинающийся с обработки некоторой совокупности возможных исходных данных и направленный на получение определенных этими исходными данными результатов. Термин «вычислительный процесс» распространяется и на обработку других видов информации, например, символьной, графической или звуковой.

Алгоритм должен обладать следующими свойствами:

? дискретностью;

? массовостью;

? определённостью;

? результативностью;

? формальностью.

Дискретность (разрывность, раздельность). Каждый алгоритм состоит из отдельных законченных действий, т.е. делится на шаги.

Массовость - применимость алгоритма ко всем задачам некоторого класса, различающимся только исходными данными. При этом исходные данные могут выбираться из некоторой области, которая называется областью применимости алгоритма.

Определённость (детерминированность, точность) - свойство алгоритма, указывающее на то, что каждый шаг алгоритма должен быть строго определён и не должен допускать произвола в толковании. Также строго должен быть определён порядок выполнения отдельных шагов. Благодаря этому свойству многократное выполнение алгоритма при одних и тех же исходных данных даёт один и тот же результат.

Результативность (конечность) - свойство, состоящее в том, что любой алгоритм должен приводить к правильному решению задачи за конечное (может быть очень большое) число шагов, либо подавать сигнал о том, что данный алгоритм неприменим для решения поставленной задачи.

Формальность - это свойство указывает на то, что любой исполнитель, незнакомый с содержанием алгоритма, но способный воспринимать и выполнять инструкции алгоритма, действуя формально, т.е. отвлекаясь от содержания поставленной задачи и лишь строго выполняя инструкции, получает необходимый результат. Думать о том, какие действия и в какой последовательности нужно выполнить, должен разработчик алгоритма, а исполнитель формально (не думая, механически) поочерёдно исполняет предложенные команды и получает необходимый результат.

2.4 Способы описания алгоритмов

В настоящее время используются следующие способы описания алгоритмов:

- словесно-формульное описание алгоритма;

- псевдокод;

- табличный способ;

- языки программирования (программа);

- графический способ (блок-схема).

Словесно-формульное описание алгоритма представляет структуру алгоритма и содержание выполняемых действий средствами естественного языка. Достоинства этого способа: общедоступность, возможность описывать алгоритм с любой степенью детализации. Недостаток этого способа - многословность, низкая наглядность, громоздкость, возможна неоднозначность толкования.

Псевдокод - описание структуры алгоритма на естественном, частично формализованном языке, позволяющее выявить основные этапы решения задачи перед точной его записью на языке программирования. В псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и общепринятая математическая символика. Строгих синтаксических правил для записи псевдокода не существует. Это облегчает запись алгоритма при проектировании и позволяет описать алгоритм, используя любой набор команд. Однако в псевдокоде обычно используются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что облегчает переход от псевдокода к записи алгоритма на языке программирования. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором используемых слов и конструкций.

Графический способ представления алгоритмов (блок-схема) - имеет ряд преимуществ благодаря визуальности и явному отображению процесса решения задачи. Алгоритмы, представленные графическими средствами, получили название визуальные алгоритмы.

При проектировании визуальных алгоритмов используют специальные графические символы. Результатом алгоритмизации решения задачи является блок-схема алгоритма, состоящая из некоторой последовательности графических блоков, связанных по управлению линиями (направлениями потока) со стрелками. В блоках записывается последовательность действий. Блоки могут нумероваться. Порядковые номера проставляются слева в верхней части символов. В пределах одной схемы рекомендуется изображать блоки одинаковых размеров. Для визуального представления алгоритмов обычно используют символы в соответствии с ГОСТ 19.701-90 «Единая система программной документации. Схемы алгоритмов, программ, данных и систем. Условные обозначения и правила выполнения»

Общими правилами при проектировании схем являются следующие правила:

1. Каждая схема должна начинаться и заканчиваться символами, обозначающими начало и окончание алгоритма. В алгоритме должен быть только один символ начала и один символ окончания.

2. В начале алгоритма должны быть символы ввода значений входных данных.

3. После ввода значений входных данных могут следовать символы обработки и символы условия.

4. В конце алгоритма должны располагаться символы вывода значений выходных данных.

Описания алгоритма в словесной форме, на псевдокоде или в виде блок-схемы допускают некоторую произвольность при изображении команд. Вместе с тем, любая из этих форм позволяет человеку понять суть дела и исполнить алгоритм. На практике исполнителями алгоритмов выступают компьютеры. Поэтому алгоритм, предназначенный для исполнения на компьютере, должен быть записан на «понятном» ему языке, такой формализованный язык называют языком программирования. Алгоритм, записанный на языке программирования, называется программой. В этом случае алгоритм представляется в виде последовательности операторов языка программирования.



2.5 Базовые управляющие структуры алгоритмов (основные алгоритмические конструкции)

Метод структурной алгоритмизации. Этот метод основан на визуальном представлении алгоритма в виде последовательности управляющих структурных элементов ? управляющих структур. Принцип структурной алгоритмизации заключается в том, что логическая структура любой программы может быть выражена комбинацией из следующих базовых структур:

1) Композиция (следование);

2) Альтернатива (ветвление);

3) Итерация (цикл).

Структурная блок-схема ? композиция из базовых алгоритмических структур.

Альтернатива, или ветвление - это конструкция ветвления, имеющая предикатную вершину.

Итерация, или циклы - это циклическая конструкция алгоритма, состоящая из композиции и альтернативы.

Алгоритмическая структура (базовая управляющая структура) «Итерация, или цикл» может быть представлена в двух формах: с предусловием и с постусловием.

Алгоритмы линейной структуры -линейные алгоритмы предполагают последовательное выполнение действий в порядке, заданном схемой, без их повторения или пропуска некоторых действий. Алгоритм линейной структуры изображается линейной последовательностью связанных друг с другом блоков. Такой порядок выполнения действий называется естественным. Поэтому в схемах алгоритмов линейной структуры нет блока «Решение».

Алгоритмы ветвящейся структуры - в отличие от линейных алгоритмов, в которых команды выполняются последовательно одна за другой, в разветвляющиеся алгоритмы входит условие, в зависимости от выполнения или невыполнения которого выполняется та или иная последовательность операций, групп операций или базовая управляющая структура. Каждая такая последовательность действий называется ветвью алгоритма.

Таким образом, алгоритм ветвящейся структуры содержит только структуры «Следование» и «Ветвление»

Алгоритмы циклической структуры являются наиболее распространённым видом алгоритмов. В алгоритмах циклической структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия выполняется повторяющаяся последовательность действий, называющаяся телом цикла.



Практическая часть

Задание 1

Переведите число из одной системы счисления в другую:

462 > римскую с. сч.

Решение: 462=400+60+2=(D-C)+(L+X)+(I+I)=CDLXII

Ответ: CDLXII

Задание 2

Составьте таблицы истинности логических выражений:

Решение:

1. В данной функции две логические переменные: ¬А, В

2. Строк в таблице: 2²=4+1=5

3. Расставляем порядок действий: 1) ¬А; 2) ¬В: 3) (¬А /\ В); 4) (А/\¬В);

5) (¬А /\ В) \/(А/\¬В)

Ответ

А	В	¬А	¬В	(¬А /\ В)	(А/\¬В)	(¬А /\ В) \/(А/\¬В)	С
0	0	1	1	0	0	0	0
0	1	1	0	1	0	1	1
1	0	0	1	0	1	1	1
1	1	0	0	0	0	0	0

Задание 3

На схеме нарисованы дороги между населенными пунктами A, B, C, D, E, F и указаны протяжённости дорог. (Отсутствие числа в таблице означает, что прямой дороги между пунктами нет). Определите длину кратчайшего пути между пунктами A и F(при условии, что передвигаться можно только по указанным на схеме дорогам).

Ответ: 6

Задание 4

В таблице приведены запросы к поисковому серверу. Расположите обозначения запросов в порядке возрастания количества страниц, которые найдет поисковый сервер по каждому запросу.

Для обозначения логической операции «ИЛИ» в запросе используется символ «|», а для логической операции «И» - «&». Укажите минимальное количество страниц (в тысячах) найденное по запросу.

Ответ: В;Б:А;Г, количество страниц 99тыс.

Задание 5

Вычислите результат работы следующей программы. Текст программы приведен на трёх языках программирования

Ответ: 64

Задание 6

В таблице Dat хранятся положительные или отрицательные целые числа. Определите, что будет напечатано в результате выполнения следующего алгоритма, записанного на трёх языках.

Ответ: 195



Литература

1. Информатика: Учебник. / Б.В. Соболь, А.Б. Галин, Ю.В. Панов и др. - 5-е изд. - Ростов н/Д: Феникс, 2010. - 446 с.

2. Информатика. Базовый курс: учеб. пособия для втузов / ред. С. В. Симонович. - 3-е изд. - СПб.: Питер, 2013. - 638 с.

Размещено на Allbest.ru

...