· шина - магистраль, по которой происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

· разъемы для подсоединения дополнительных устройств (слоты) и др.

Процессор

Основная микросхема компьютера, в которой производятся все вычисления.

В состав МП входят:

устройство управления (УУ) - формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления (управляющие импульсы;

арифметико-логическое устройство (АЛУ) - предназначено для выполнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

регистровая память (МПП)- служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы машины. Эта память состоит из ячеек, которые называются регистрами. Регистры - быстродействующие ячейки памяти различной длины. Обработка информации происходит только в регистрах процессора.

Основными характеристиками процессоров являются: разрядность, тактовая частота, модель (тип).

Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обрабатывать в своих регистрах за один раз (за один такт). Чем больше это количество, тем больше информации в единицу времени может быть обработано. Разрядность процессора зависит от разрядности регистров его собственной памяти, в которых размещаются обрабатываемые данные, поступившие из внутренней памяти (информация между процессором и внутренней памятью передается целыми машинными словами).

Первые процессоры семейства х86 были 16-разрядными. Современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32 и 64-разрядными.

Тактовая частота показывает, сколько элементарных операций (тактов) микропроцессор выполняет в одну секунду. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Чем больше тактов выполняется в единицу времени, тем выше скорость работы компьютера. Таким образом, тактовая частота - количество тактов в секунду - является одной из важнейших характеристик процессора. Она измеряется в мегагерцах (МГц), гигагерцах (ГГц). В компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем - генератор тактовых импульсов. Генератор тактовых импульсов с определенной частотой вырабатывает специальные сигналы - тактовые импульсы, поступающие на устройства компьютера и таким образом синхронизирует их работу. Частота генерируемых импульсов определяет тактовую частоту машины.

Частота генерируемых импульсов является одной из основных характеристик ПК и во многом определяет скорость его работы, ибо каждая операция в машине выполняется за определенное количество тактов.

Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры х86 могли работать с частотой не более 4,7 МГц, а сегодня тактовые частоты уже превосходят несколько миллионов тактов в секунду (МГц) и даже несколько миллиардов тактов в секунду (ГГц).

Модель. Определяется фирмой изготовителем. Известные модели: Intel80386, Intel80486, Intel Pentium, Intel Pentium Pro, Intel Pentium 2, Intel Pentium 3, Intel Pentium 4, Intel Celeron, Intel Xeon, а также микропроцессоры фирм AMD Duron, AMD Athlon, Cyrix и др.

Внутренняя память

Внутренняя память реализуется в виде микросхем. Высокая скорость обмена сигналами с процессором, что обеспечивает быстрый доступ к хранимой информации. Ёмкость внутренней памяти невелика в сравнении с ёмкостью внешних носителей информации. В составе внутренней памяти выделяют оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), кэш-память, CMOS-память.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

Это устройство, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программ, а также данных, необходимых для их выполнения. Это набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен. В ОЗУ хранится текущая информация (то есть программа и данные) по решаемой задаче, причем она может как считываться, так и записываться. Зависит от источника питания, содержимое исчезает при его отключении. Объем оперативной памяти влияет на производительность компьютера. Современные программы требуют оперативной памяти сотни мегабайтов.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ)

ПЗУ предназначено для хранения информации, к которой необходим быстрый доступ, но нет возможности с каждым новым включением загружать ее в ОЗУ. Такая информация записывается в ПЗУ в заводских условиях и в дальнейшем может быть только прочитана.

Кэш-память

Специальная сверхбыстродействующая память небольшого объема (128-512 Кбайт), которая располагается как бы «между» микропроцессором и оперативной памятью и хранит копии наиболее часто используемых участков оперативной памяти. При обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти. Поскольку время доступа к кэш-памяти в несколько раз меньше, чем к обычной памяти, а в большинстве случаев необходимые микропроцессору данные уже содержатся в кэш-памяти, среднее время доступа к памяти уменьшается.

CMOS-память

Это микросхема памяти для хранения параметров конфигурации компьютера. Эта память выполнена по специальной технологии «CMOS», обладающей низким электропотреблением. Содержимое CMOS-памяти не изменяется при выключении электропитания компьютера. Микросхема памяти CMOS постоянно питается от небольшой батарейки, расположенной на материнской плате.

Устройства внешней памяти

К ним относятся накопители на магнитных и оптических дисках, электронные устройства внешней памяти - флэш-память. Их функция - обеспечить чтение и запись информации на внешние носители. Если накопитель работает с дисками, то его называют дисководом. Например, дисковод жестких дисков, дисковод гибких дисков, дисковод компакт-дисков.

Встроенные в системном блоке магнитные диски вместе с дисководом жестких дисков называются винчестером. Это очень важная часть компьютера, поскольку именно здесь хранятся все необходимые для работы компьютера программы. Чтение и запись на жесткий диск производится быстрее, чем на все другие виды внешних носителей, но все-таки медленнее, чем в оперативную память. На современных ПК устанавливают жесткие диски на сотни гигабайтов. Они представляют собой систему, состоящую из механического привода, головок чтения/записи, нескольких носителей и контроллера, обеспечивающего работу всего устройства и передачу данных. Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция магнитных головок постоянно совершенствуется. Носитель информации состоит из нескольких дисков, каждый из которых имеет две рабочих поверхности. При записи информации используются магнитные свойства слоя, нанесенного на поверхность. Диски закреплены на шпинделе двигателя. Скорость вращения дисков может быть 3600, 4500, 5400, 7200, 10000, 12000 об/мин. С увеличением скорости вращения дисков увеличивается производительность всей системы. Каждая поверхность любого из дисков разбивается на отдельные дорожки. Дорожки на одной вертикали на всех поверхностях образуют цилиндр. Дорожка разбивается на секторы. Доступ к необходимой информации осуществляется по номеру дорожки, номеру цилиндра, номеру сектора. Плотность записи на внешних секторах меньше, чем на внутренних секторах. Среди характеристик, определяющих производительность винчестера, можно выделить следующие: среднее время доступа, которое определяется временем позиционирования магнитных головок на дорожке и временем ожидания сектора, и скорость обмена данными, которая в основном зависит от используемого интерфейса.

Гибкие магнитные диски (дискеты) служат для хранения программ и данных небольшого объема и удобны для перенесения информации с одной ПЭВМ на другую.

На рабочей поверхности диска (дискеты) по концентрическим окружностям, размещенным на определенном рас-стоянии от центрального отверстия, записываются данные. Стандартный формат дискеты имеет 80 концентрических дорожек. Каждая дорожка разделена на 18 частей, называемые "секторами". Секторы представляют собой основную единицу хранения информации на дискете. При чтении или записи устройство всегда считывает или записывает целое число секторов независимо от объема запрашиваемой информации, которые называют кластерами.

Емкость таких дисков 1,44 Мбайт. Операции чтения/записи осуществляются контактным способом, когда магнитная головка для чтения/записи соприкасается с поверхностью диска, перемещаясь по радиусу. Во время работы диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти дорожки и производится запись двоичной информации. На дорожки диска записывается двоичный код: намагниченный участок - единица, ненамагниченный - нуль. При чтении с диска эта запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.

Устройства CD-ROM используют оптические диски емкостью до 700 Мбайт. Носитель представляет собой диск со светоотражающим слоем на одной стороне, на которой хранится информация. На диск нанесена спиралевидная дорожка от центра к краю диска, состоящая из отражающих и не отражающих свет точек. Считывание производится лазерным лучом. Сначала появились оптические диски, на которые информация записывается только один раз в заводских условиях. Диски CD-R с возможностью записи позволяют однократно записывать информацию на диски пользователем. Луч лазера прожигает пленку на поверхности диска, меняя его отражательную способность. Перезапись невозможна. Диски CD-RW позволяют делать многократную запись на диск. Здесь используется свойство рабочего слоя переходить под действием лазерного луча в кристаллическое или аморфное состояние, имеющие разную отражательную способность. Диск DVD (Digital Versatile Disc) - цифровой универсальный диск. Предназначен для хранения видео, аудио высокого качества, компьютерной информации большого объема. Односторонние однослойные DVD имеют емкость 4,7 Гбайт информации, двухслойные - 8,5 Гбайт; двухсторонние однослойные вмещают 9,4 Гбайт, двухслойные - 17 Гбайт.

Электронное устройство флэш-память используется для чтения и записи информации в файловом формате. Это энергонезависимое устройство. Обладает гораздо большим информационным объемом (сотни и тысячи мегабайтов) по сравнению с дисками. Его устанавливают в USB - порт материнской платы.

Контроллеры

Для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется «вводом-выводом».

Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером, или адаптером (от английского «controller» -«контролёр», «управляющий»). Существует контроллер дисковода, контроллер монитора, контроллер принтера и др. Некоторые контроллеры могут управлять сразу несколькими устройствами.

Одним из контроллеров, которые присутствуют почти в каждом компьютере, является контроллер портов ввода-вывода. Эти порты бывают следующих типов:

параллельные (обозначаемые LPT1-LPT4), к ним обычно подключают принтеры;

последовательные (COM1-COM3), через которые обычно подсоединяют мышь, модем и др.;

usb - порт (цифровые устройства, электронное устройство - флэш - память и др.)

Источник питания

Это блок, содержащий системы автономного и сетевого энергопитания ПК.

Таймер

Это внутримашинные электронные часы. Таймер подключается к автономному источнику питания - аккумулятору и при отключении машины от сети продолжает работать.

2.4 Устройства ввода/вывода данных, их разновидности и основные характеристики

Устройства ввода информации

Клавиатура

Клавиатура является основным устройством ввода информации в персональный компьютер. В настоящее время существует большое количество видов клавиатур, отличающихся в основном эргономическими качествами. В клавиатуру встраиваются дополнительные устройства, такие как микрофон, акустическая система, тачпад и др. Клавиатура может оснащаться дополнительными клавишами, например Старт, для использования на компьютерах с операционной системой Windows. Несмотря на эти новшества, основное назначение клавиатуры - ввод символьной информации. Клавиатура содержит 101 и более клавиш (у мобильных компьютеров количество клавиш существенно меньше).

Мышь

Мышь - манипулятор, созданный для удобства ввода информации в компьютер. Мышь не заменяет клавиатуру. Мышь получила распространение на компьютеpax, на которых используются графические программные оболочки. Мышь имеет две или три кнопки. Двухкнопочная мыть может иметь специальное колесико (скроллинг) между клавишами для быстрого просмотра многостраничной информации. Такое же назначение имеет качающаяся средняя кнопка. Механические мыши используют шарик, передающий перемещение мыши на специальные датчики. Более точного позиционирования позволяет достичь оптическая мышь. Мышь может быть подключена к компьютеру через последовательный СОМ-порт, порт PS/2, порт USB. Последний вариант предпочтительней. Используются и беспроводные мыши, работающие в инфракрасном диапазоне или на радиочастотах.

Другие устройства ввода информации (манипуляторы)

Джойстик (joystick) - рычажный манипулятор для ввода координатной информации.

Трекбол (trackball) - перевернутая мышь с увеличенным шариком, который необходимо вращать пальцем.

Трекпойнт (trackpoint) - маленький джойстик, который размещается обычно в центре клавиатуры. Управляется нажатием пальца.

Тачпад (tonchpad) - площадка, чувствительная к нажатию пальца.

Сканер

Сканер - устройство ввода в компьютер информации с бумажного или другого немашинного носителя. Сканер используется для ввода текста, графических изображений. Отраженный от сканируемого изображения свет попадает на матрицу или линейку светочувствительных элементов на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС), которые преобразуют аналоговый сигнал в цифровой. Виды сканеров: ручные, планшетные, рулонные, барабанные.

Ручные сканеры необходимо перемещать рукой, стараясь выдерживать определенную скорость и равномерность перемещения. Они имеют небольшую ширину захвата и невысокое разрешение.

В планшетных сканерах сканирующая головка перемещается относительно изображения с помощью шагового двигателя.

Рулонные сканеры протягивают сканируемые изображения через сканирующее устройство.

Барабанные сканеры в качестве светочувствительного элемента используют фотоэлектронный умножитель, что позволяет получать высококачественный результат.

Устройства вывода информации

Монитор

Типы мониторов:

CRT (Cathode Ray Tube) мониторы. В основе этих мониторов лежит электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).

LCD мониторы (Liquid Crystal Display) - жидкокристаллические мониторы сделаны из вещества, которое находится в жидком состоянии, но при этом обладает некоторыми свойствами, присущими кристаллическим телам.

PDP (Plasma Display Panels) - плазменные мониторы. Работа плазменных мониторов очень похожа на работу неоновых ламп, которые сделаны в виде трубки, заполненной инертным газом низкого давления. Плазменные экраны создаются путем заполнения пространства между двумя стеклянными поверхностями инертным газом, например аргоном или неоном.

FED (Field Emission Display). Мониторы FED основаны на процессе, который немного похож на тот, что применяется в CRT-мониторах. При этом FED-мониторы очень тонкие.

Кратко остановимся на основных характеристиках монитора.

· Размер монитора.

Под размером монитора обычно понимают размер диагонали монитора (в дюймах), при этом размер видимой пользователем области экрана обычно несколько меньше, в среднем на 1", чем размер трубки. Производители могут указывать в сопровождающей документации два размера диагонали, при этом видимый размер обычно обозначается в скобках или с пометкой "Viewable size", но иногда указывается только один размер, размер диагонали трубки.

· Разрешение монитора (или разрешающая способность) связана с размером отображаемого изображения и выражается в количестве точек по ширине (по горизонтали) и высоте (по вертикали) отображаемого изображения. Например, если говорят, что монитор имеет разрешение 640x480, это означает, что изображение состоит из 640x480 = 307200 точек в прямоугольнике, чьи стороны соответствуют 640 точкам по ширине и 480 точкам по высоте. Это объясняет, почему более высокое разрешение соответствует отображению более содержательного (детального) изображения на экране. Понятно, что разрешение должно соответствовать размеру монитора, иначе изображение будет слишком маленьким, чтобы его глядеть. Возможность использования конкретного разрешения зависит от различных факторов, среди которых возможности самого монитора, возможности видеокарты и объем доступной видеопамяти, которая ограничивает число отображаемых цветов.

· Частота горизонтальной развертки

На величину максимально поддерживаемого монитором разрешения напрямую влияет частота горизонтальной развертки электронного луча, измеряемая в кГц (килогерцах). Значение горизонтальной развертки монитора показывает, какое предельное число горизонтальных строк может прочертить электронный луч на экране монитора за одну секунду. Соответственно, чем выше это значение, тем большее разрешение может поддерживать монитор при приемлемой частоте кадров.

· Частота кадровой развертки для экрана CRT-мониторов - это параметр, определяющий, как часто изображение на экране заново перерисовывается. Частота регенерации измеряется в Hz (герцах, Гц), где 1 Гц соответствует одному циклу в секунду. Частота регенерации монитора должна быть достаточной, чтобы не было заметно мерцания изображения. Чем выше частота регенерации, тем более устойчивым выглядит изображение на экране. Мерцание изображения приводит к утомлению глаз, головным болям и даже к ухудшению зрения. Минимально безопасной частотой кадров считается 75 Гц. Исследования показали, что при частоте вертикальной развертки выше 110 Гц глаз человека уже не может заметить никакого мерцания. Мониторы опасны для здоровья.

С целью снижения риска для здоровья различными организациями были разработаны рекомендации по параметрам мониторов, которым должны следовать производители устройств. Все стандарты безопасности для мониторов регламентируют максимально допустимые значения электрических и магнитных полей, создаваемых монитором при работе. Практически в каждой развитой стране есть собственные стандарты, но особую популярность во всем мире завоевали стандарты, разработанные в Швеции и известные под именами ТСО и MPRII. ТСО (The Swedish Confederation of Professional Employees) - Шведская Конфедерация профессиональных коллективов рабочих. Стандарты ТСО разрабатываются с целью гарантировать пользователям компьютеров безопасную работу. Этим стандартам должен соответствовать каждый монитор, продаваемый в Швеции и в Европе. Рекомендации ТСО используются производителями мониторов для создания более качественных продуктов, которые менее опасны для здоровья пользователей.

В состав разработанных ТСО рекомендаций сегодня входят три стандарта: ТСО 92, ТСО 95 и ТСО 99. Цифры означают год их принятия.

Большинство измерений во время тестирований на соответствие стандартам ТСО проводятся на расстоянии 30 см спереди от экрана и на расстоянии 50 см вокруг монитора.

MPR II - это еще один стандарт, разработанный в Швеции. MPR II определяет максимально допустимые значения излучения магнитного и электрического полей, а также методы их измерения. Стандарты ТСО жестче, чем MPR II.

Видеоадаптер

Видеоадаптер представляет собой специальное устройство, сконструированное в виде отдельной платы расширения. Видеоадаптер управляет выводом информации на монитор. Характеристики видеосистемы зависят как от параметров используемого монитора, так и от установленного в компьютере видеоадаптера. Система «видеоадаптер - монитор» называется видеотерминальным устройством.

Устройства вывода информации

Принтеры

Принтеры - устройства для вывода информации на твердый носитель (в настоящее время используются и прозрачные пленки). По технологии печати можно выделить принтеры: матричные, струйные, лазерные, LED и др.

Матричный принтер

Печатающим элементом является головка с 9, 18 или 24 иголками, удар которых через красящую ленту формирует выводимый символ на бумаге. Используется бумага формата А4 или A3. Возможно использование рулонной бумаги.

Струйный принтер

Струйные принтеры - это безударные устройства, работающие практически бесшумно. Печатающая головка разбрызгивает специальные чернила через сопла, Количество которых может достигать 256, на бумагу. Толщина струи меньше толщины иглы матричного принтера, поэтому качество печати выше. Печатающие головки могут быть совмещенными с чернильницей или нет. В первом случае заменяется весь блок. Во втором - лишь чернильница, хотя сама печатающая головка тоже является расходным материалом. Принтеры непрерывного действия, когда чернила непрерывно разбрызгиваются на бумагу при печати, а излишки возвращаются обратно в чернильницу, в настоящее время не имеют широкого распространения. Принтеры дискретного действия, когда чернила используются только по необходимости, используют либо специальную пузырьковую технологию, либо пьезоэффект. Принтеры с пузырьковой технологией в печатающей головке имеют небольшой нагревательный элемент, который под действием тока очень быстро нагревает чернила. Необходимая порция чернил выбрасывается из сопла. Одновременно с остыванием всасывается очередная чернильная капля. В принтерах второго типа используется принцип изменения размеров пьезокристалла под действием тока.

Лазерный принтер

В лазерных принтерах используется лазерный луч, который формирует изображение на специальном фотопроводящем барабане. Перед печатью поверхность барабана электрически заряжается. Луч лазера изменяет потенциал в зависимости от выводимого изображения. После формирования очередной строки барабан поворачивается на определенный шаг для формирования следующей строки. Этот шаг определяет физическую разрешающую способность принтера. Формирование печатаемой страницы на барабане принтера похоже на формирование изображение на экране монитора. После формирования страницы каждый участок барабана имеет свой потенциал, благодаря которому притягиваются заряженные частицы порошкообразного тонера. Барабан покрывается тонером, после чего тонер переносится на заряженный лист бумаги и закрепляется специальными резиновыми валиками за счет разогрева тонера до температуры расплава.

LED-принтер

В LED-принтерах (Light Emmiting Diode) вместо полупроводникового лазера используются мельчайшие светодиоды.

Термопринтеры

Печатающая головка термопринтера состоит из мельчайших нагревательных элементов, которые переносят специальное красящее вещество на бумагу именно в том месте, где обеспечивается необходимая температура. Различаются 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.

Основные характеристики принтера

· Разрешение принтера характеризует, насколько мелкие детали изображения может передавать принтер. Этот показатель измеряется в dpi (dot per inch), в точках на дюйм. Современные принтеры имеют разрешение от 600 до 1200 dpi. Этот показатель приводится для черно-белых изображений. Для цветных и полутоновых изображений этот показатель ниже. Многие принтеры используют специальные алгоритмы, улучшающие разрешение.

· На качество получаемого изображения большое влияние оказывает используемая бумага. Качество бумаги особенно актуально для струйных принтеров, использующих чернила, которые могут расплываться, ухудшая качество печати. Количество цветов имеет важное значение. Обычно используются три основных цвета, смешением которых получается любой цвет. Черный цвет получить трудно, поэтому он добавляется к другим. При использовании трех цветов достаточно сложно получить приемлемый результат при печати изображений светлых тонов. Поэтому некоторые модели принтеров используют 6 цветов: три основных цвета и дополнительно три светлых. В основном это относится к струйным принтерам.

· Скорость печати измеряется количеством страниц в единицу времени, обычно в минуту. Современные принтеры имеют скорость печати до 10-12 страниц в минуту.

Вопросы для подготовки к контрольной работе по теме «Технические средства реализации информационных процессов»

1. История развития вычислительной техники:

1.1. Основные моменты предыстории - различные счетные машины.

1.2. Поколения ЭВМ - для каждого поколения знать временные рамки, элементную базу, примерное быстродействие, программное обеспечение, сферы применения.

2. Архитектура ЭВМ:

2.1. Понятие архитектуры.

2.2. Принципы архитектуры Джона фон Неймана (знать их основные идеи и два любых более точно).

2.3. Схема классической архитектуры ЭВМ.

2.4. Схема магистрально-модульной архитектуры ЭВМ.

2.5. Понятие и состав магистрали.

3. Состав и назначение устройств персонального компьютера (ПК):

3.1. Перечень устройств, входящих в базовую (типовую) конфигурацию современного ПК.

3.2. Перечень устройств, расположенных на материнской плате.

3.3. Назначение, состав и характеристики процессора.

3.4. Назначение и виды памяти.

3.5. Устройства внешней памяти (жесткие и гибкие магнитные диски, лазерные диски, флэш-память - знать обобщенную структуру и принципы записи / считывания информации).

3.6. Виды устройств ввода-вывода, виды и характеристики мониторов и принтеров.

III. Модели решения функциональных и вычислительных задач

В настоящее время в деятельности каждого человека возрастает доля умственного труда, требуется решать практические задачи, связанные с обработкой, хранением, передачей информации. В то же время растет число людей, профессионально занятых информационной работой. Для ее автоматизации применяется компьютер как универсальное средство работы с информацией.

Решение задачи с применением компьютера предполагает следующие этапы:

Постановка задачи. Построение информационной модели.

Формализация задачи. Представление информационной модели в виде, удобном для компьютерной обработки.

Построение алгоритма решения задачи.

Запись алгоритма на языке программирования, составление программы.

Ввод программы в память компьютера. Пробный запуск.

Отладка и тестирование программы.

Получение и анализ результатов.

Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных этапов.

1. Постановка задачи. Построение информационной модели

Как правило, практические задачи формулируются достаточно понятно с точки зрения пользователя, но такая формулировка не обладает достаточной четкостью и строгостью.

Примеры:

рассчитать примерную стоимость декоративного ремонта (покраски) школьной мебели;

разработать наиболее эффективный (калорийный, разнообразный и дешевый) рацион питания в школьной столовой и т.д.

Чтобы такую задачу можно было решить с помощью компьютера, надо выполнить постановку задачи: выяснить, что известно и что явится результатом решения, а также как связаны исходные данные и результаты. Для этого важно определить существенные свойства объектов и явлений, о которых идет речь в задаче, и пренебречь несущественными.

Иногда об этом забывают. Например, если в задаче требуется определить площадь верхней поверхности стола (столешницы), не задумываясь говорят, что надо измерить длину и ширину. Однако существенным свойством стола может оказаться то, что он круглый, тогда затруднительно вести речь о длине и ширине. Кроме того, даже если определили, что столешница имеет прямоугольную форму, следует договориться, что небольшие неровности не оказывают существенного влияния на величину площади.

Важно также определить, в каких единицах и с какой точностью будут произведены измерения и вычисления. Кроме того, следует определить ограничения, налагаемые на возможные значения исходных данных и результатов. В примере с прямоугольным столом длина и ширина не могут быть отрицательными числами, а также иметь нереально большие или малые значения.

Все эти сведения образуют информационную модель задачи.

Главное свойство модели - упрощать изучаемое явление, сохраняя его существенные свойства. Информационной моделью задачи можно назвать информацию об объектах и явлениях, фигурирующих в задаче, значимую с точки зрения задачи и зафиксированную в текстовой, числовой или иной сигнальной форме.

Шаги построения информационной модели:

Определить существенные и несущественные свойства объектов и явлений, описываемых в задаче.

Выделить характеристики объектов и явлений, значимые с точки зрения задачи, и на этой основе определить исходные данные. Для исходных данных, выраженных в числовой форме, соотнести единицы измерения, определить точность и указать ограничения, налагаемые на их значения.

Определить, что является результатом решения задачи и в какой форме он должен быть получен. Указать ограничения.

Выявить связи между исходными данными и результатами. Если такие связи можно выразить на языке математики, то говорят о математической модели задачи как о частном случае информационной модели.

Определить метод достижения результата.

2. Формализация задачи

На этом этапе происходит фиксация информационной модели, выбирается форма представления данных, образующих информационную модель, наиболее удобная для компьютерной обработки. Часто первые два этапа не имеют четкой границы и могут рассматриваться как единое целое.

Рассмотрим пример.

Задача. Определить, успеют ли к поезду путешественники, которые отправились от места стоянки к станции на автомобиле.

Построение информационной модели. Существенными характеристиками являются: расстояние от места стоянки до станции; время, которое осталось до отхода поезда; характер движения автомобиля. Предположим, что автомобиль двигался с некоторой начальной скоростью и постоянным ускорением. Тогда время, которое автомобиль находился в пути, надо сравнить с имеющимся запасом времени и сделать соответствующий вывод. Время в пути можно определить из соотношения между расстоянием, начальной скоростью и ускорением, которые будут являться исходными данными. Все эти характеристики имеют числовые значения (вещественные числа) и должны быть положительны. Промежуточный результат - время в пути - также должен выражаться положительным числом. Кроме того, значения начальной скорости и ускорения должны быть в пределах разумного. Единицы измерения: км, час, км/час, км/час за час.

Формализация.

Исходные данные:

S - расстояние от места стоянки до станции

tz - запас времени до отхода поезда

V₀ - начальная скорость

а - ускорение

Результат: сообщение о том, успеют ли путешественники на поезд.

Связь между исходными данными и результатом: для получения сообщения следует вычислить промежуточный результат tp - время в пути - и сравнить его с запасом времени. Время в пути вычисляется, исходя из формулы пути при равноускоренном движении.

Это корень квадратного уравнения. Его дискриминант и корни:

Данное уравнение будет иметь как положительный, так и отрицательный корень. Из них следует выбрать положительный, исходя из наложенных ограничений.

3. Построение алгоритма

На основе выбранного метода определяется точный порядок действий для достижения результата. Такая последовательность действий, выполнение которой приведет к достижению результата, называется алгоритмом. Алгоритм решения задачи может быть составлен с разной степенью подробности. Вначале составляется последовательность из небольшого числа достаточно крупных шагов, затем выполняется более подробное описание каждого шага - детализация алгоритма. Для фиксации алгоритма используются различные способы: словесное описание, язык графических схем, псевдокод и др. Подробнее об алгоритмах будет далее.

4. Составление программы

Чтобы алгоритм мог быть выполнен компьютером, он должен быть записан на понятном ему языке. Однако компьютер воспринимает и может обрабатывать только двоичные коды (последовательности нулей и единиц). Следовательно, исходные данные и команды алгоритма должны быть представлены в двоичных кодах. Однако для человека это весьма неудобно, поэтому были разработаны языки, предназначенные для записи алгоритмов, которые, с одной стороны, близки естественным языкам, а с другой стороны, построены по достаточно строгим правилам, чтобы записанные на них алгоритмы можно было автоматически по формальным правилам перевести в двоичные коды. Такие языки называются языками программирования, а алгоритм, записанный на таком языке (так же, как и алгоритм, записанный в двоичных кодах), называется программой.

С появлением персональных компьютеров этап составления алгоритма во многом соединяется с этапом программирования так же, как и со следующим этапом.

5 Ввод программы в память компьютера. Пробный запуск

На больших вычислительных центрах, при решении достаточно больших и сложных задач вводом программ занимаются люди специальной профессии - операторы ЭВМ. Кроме ввода программ операторы выполняют подготовку данных - ввод данных в память, запись их на внешние носители. Программист, работающий на ПК, вводит программу и данные сам.

После того как программа введена, следует ее пробный запуск. В случаях, которые следует считать исключительными, программа исполняется сразу и выдает некоторый результат. Гораздо чаще приходится отыскивать причины, по которым программа не работает или работает не так, и исправлять их - отлаживать программу.

6. Отладка и тестирование программы

Процесс поиска и исправления ошибок в программе называется отладкой. Ошибки могут возникнуть при наборе, в результате нарушения правил записи программ на языке программирования - так называемые синтаксические ошибки. Обнаружить и исправить их помогают специальные инструментальные программы (программы синтаксического контроля), входящие в состав системы программирования (см. § 4.1). Система анализирует программу и выдает сообщение о месте и характере ошибки. Часто ошибки связаны с тем, что некоторая синтаксически правильная конструкция не может быть выполнена (например, деление на нуль или попытка присвоить величине целого типа вещественное значение). В этом случае также появляется сообщение о причине отказа и указывается, какая именно команда не может быть выполнена.

Гораздо сложнее отыскать ошибки, допущенные при составлении алгоритма, которые, в конечном итоге, приводят к неправильной работе программы: отсутствие результата, зацикливание, неверный результат. В этом случае полезен бывает пошаговый контроль выполнения программы.

Важным этапом процесса отладки является тестирование программы, т.е. испытание ее путем введения теста - определенного набора исходных данных, для которого результат работы отдельных блоков или программы в целом известен заранее.

Часто в рамках разработки информационной модели накладываются ограничения на исходные данные. В этом случае программа должна реагировать на ввод неверных значений: останавливать работу или запрашивать повторный ввод. Как правило, в программе предусматривается защита от ввода неверных данных или от других непредусмотренных действий пользователя. Тогда в процессе тестирования проверяется качество такой защиты.

Умение удачно подобрать такой тест, при котором ошибка (если она есть) наиболее вероятна, и предусмотреть разнообразные варианты хода вычислительного процесса, а также действия пользователя (порой весьма непредсказуемые), и, следовательно, защитить работу программы от всяких неожиданностей - большое искусство программиста.

Простейший пример теста: если программа содержит ветвление, т.е. требуется выбор способа действий в зависимости от выполнения условия, надо проверять ее работу с теми исходными данными, при которых условие выполняется, и с теми, при которых оно не выполняется.

До последнего времени 4, 5 и 6 этапы были необходимыми этапами решения задачи с помощью ЭВМ. При этом языки и системы программирования были теми программными инструментами, с помощью которых создавались новые программы для решения задач пользователя. Однако с расширением круга задач, для решения которых используется компьютер, растет число людей, которые, не будучи профессиональными программистами, применяют компьютер в своей работе.

В связи с этим созданы разнообразные программные средства, которые являются основой информационных технологий, применяемых для решения разнообразных практических задач, таких, как обработка текстов и электронных таблиц, создание графических изображений, доступ к информации, хранящейся в базе данных, решение математической задачи, расчет технической конструкции и многое другое. Для их решения в распоряжении пользователя ЭВМ имеется обширное программное обеспечение.

В процессе построения информационной модели задачи пользователь определяет, какие действия ему потребуется выполнить для достижения результата, и в соответствии с этим решает, каким программным средством воспользоваться. Если в его распоряжении имеется программа, подходящая для решения данной задачи, то пользователь выбирает ее в качестве инструмента (СУБД, табличный процессор, математический пакет и др.). Если же готовым прикладным программным средством воспользоваться нельзя, придется использовать технологию программирования.

7. Получение и анализ результатов

Какая бы технология решения задач на компьютере ни использовалась, необходимым этапом будет получение и анализ результата: проверяется соответствие полученных результатов ожидаемому в рамках построенной информационной модели задачи, а также оценивается, насколько полученный результат соотносится с реальной практикой.

На этом этапе выявляется, насколько построенная информационная модель соответствует реальности. Дело в том, что чем больше свойств объектов и явлений признано существенными и учтено, тем в большей степени модель отражает действительность. Однако учет большого числа характеристик ведет к усложнению модели, затруднениям в математическом выражении связей между характеристиками. Обычно стараются найти баланс между полнотой соответствия информационной модели реальному состоянию дел и ее сложностью в процессе уточнения модели (постепенного увеличения числа учитываемых существенных свойств).

IV. Алгоритмизация

4.1 Алгоритм и исполнитель

Понятие алгоритма - одно из основных понятий информатики. Это фундаментальное «первоначальное» понятие, которому нельзя дать строгого определения. Существуют описательные определения алгоритма, которые уточняют это понятие.

Например:

Алгоритм - последовательность действий со строго определёнными правилами выполнения.

Алгоритм - понятное и точное предписание исполнителю совершить последовательность действий, направленных на достижение поставленной цели или решение поставленной задачи.

В быту и профессиональной деятельности каждый человек сталкивается с алгоритмом как с последовательностью действий, приводящих к достижению цели: существует достаточно строго определенный порядок приготовления какого-либо блюда, правила работы на токарном станке, инструкции по заправке нити в швейную машинку, порядку выполнения медицинских процедур (например, инъекций) и т. д.

В начальных классах школы дети изучают порядок выполнения арифметических действий над многозначными числами. Этот порядок был предложен выдающимся математиком средневекового Востока Мухаммедом аль-Хорезми (9 век) и по латинскому написанию его имени (Alhorithmi) был назван алгоритмом. В дальнейшем это понятие в значительной мере расширилось.

Алгоритм составляется для определенного класса задач. Согласно установленным правилам он характеризуется исходными данными. Например, ”сложить 2 числа” - это класс задач, а не одна задача, так как числа могут быть разные. В свою очередь “сложить числа” более широкий класс задач. Весь смысл алгоритмизации и программирования и состоит в том, чтобы составленный алгоритм служил для решения целого класса задач (любую из предложенного класса).

Понятие алгоритма неразрывно связано с понятием исполнителя.

Исполнитель - это субъект (живой или искусственный), умеющий выполнять некоторый определенный набор действий.

Приказ на выполнение одного действия из набора носит название предписания или команды.

Набор команд, которые может выполнить данный исполнитель, называется системой команд исполнителя (СКИ), или набором допустимых действий исполнителя.

Слова «понятное предписание» означают, что команда может быть выполнена.

Итак, задача составления алгоритма не имеет смысла, если не известны и не учитываются возможности его исполнителя.

Например, прочесть алгоритм решения системы линейных уравнений графическим методом сможет даже первоклассник, а выполнить его не сможет. С другой стороны малыш четырёх-пяти лет не сможет прочесть правила поведения за столом во время еды, но выполнять их сможет, если ему о них рассказать и показать.

Как уже говорилось, исполнителем может быть не человек, а автомат, а ПК является лишь частным примером исполнителя, чьё поведение реализуется на основе алгоритма.

Исполнитель может быть формальным, т.е. не задумывается, не знает целей.

Если исполнитель может выполнить каждую команду алгоритма в отдельности, последовательно, и при этом действия исполнителя на каждом шаге однозначно определены, то исполнитель может не задумываться о цели алгоритма и даже не знать о ней, но независимо от этого достичь данной цели, только лишь строго выполняя предписания алгоритма. В этом случае исполнитель действует формально, т.е. отвлекается от цели и лишь строго выполняет инструкции. Формальное исполнение алгоритмов лежит в основе управления автоматическими устройствами.

Однако и человек может быть формальным исполнителем. Если он не знает цели выполняемой работы, ему придется строго следовать инструкциям.

Компьютер является формальным исполнителем алгоритмов. Чтобы он мог решать задачу в строгом соответствии с инструкциями, он должен получить алгоритм решения. Таким образом, алгоритм является управляющей информацией.

4.2 Свойства алгоритмов

Рассмотрим свойства алгоритмов.

1. Дискретность алгоритма

Исполнение алгоритма распадается на последовательность отдельных шагов, выполнение которых предписывает команда. Таким образом, алгоритм представляет собой последовательность команд, определяющих действия исполнителя. Алгоритм имеет прерывистую (дискретную) структуру: только выполнив одну команду, исполнитель может приступить к выполнению следующей. Это свойство называется дискретностью.

2. Понятность алгоритма

Правильно составленный алгоритм содержит только те команды, которые входят в систему команд исполнителя, для которого он написан. Такое свойство называется понятностью.

Понятными для исполнителя считаются те команды, которые он может выполнить.

Например, человек, не умеющий складывать однозначные числа (не знающий таблицы сложения), не сможет воспользоваться описанным аль-Хорезми порядком сложения многозначных чисел.

3. Точность (определенность, однозначность) алгоритма

Важным свойством алгоритма является точность (определенность, однозначность). Каждая команда алгоритма должна однозначно восприниматься исполнителем и предполагать его определенное действие. Выполнив шаг алгоритма, исполнитель должен точно знать, какой шаг выполнять следующим. Примером неточного алгоритма является фраза из рецепта «всыпать 2-3 столовые ложки сахара» или классическое изречение «казнить нельзя помиловать».

4. Результативность и конечность алгоритма

Исполнение алгоритма должно приводить к получению результата (свойство результативности) за конечное число шагов (свойство конечности).

5. Массовость алгоритма.

Желательно, чтобы алгоритм удовлетворял свойству массовости, т.е. мог быть применен для решения не только одной конкретной задачи, но и некоторого класса однотипных задач.

Например, правило сложения многозначных чисел не зависит от количества разрядов в слагаемых или их цифрового состава. Оно работает, даже если число представлено не в десятичной системе счисления, а в позиционной системе счисления с любым целочисленным основанием.

4.3 Формы представления алгоритмов

Существуют следующие формы представления алгоритмов:

словесная форма записи;

на языке блок-схем;

на алгоритмическом языке.

1) Описание алгоритма на естественном языке состоит из перечня действий (шагов), каждый из которых имеет порядковый номер. Алгоритм должен выполняться последовательно шаг за шагом. Словесное описание применяют при решении несложных задач, но оно мало пригодно для представления сложных алгоритмов из-за отсутствия наглядности.

2) Для обозначения шагов решения, в виде блок-схемы алгоритма, используются специальные обозначения (символы) (см. табл. 4). Внутри символов описываются соответствующие им действия. Последовательность выполнения действий задаётся соединительными линиями между символами. Направление обозначается стрелкой.

Таблица 4 Символы блок-схем

Наименование символа	Функция
	Начало, конец, прерывание процесса обработки данных или выполнение программы.
	Выбор направления выполнения алгоритма или программы в зависимости от некоторых условий.
	Преобразование данных в форму, пригодную для обработки (ввод) или отображения результатов обработки (вывод).
	Выполнение операции или группы операций, в результате которых изменяется значение, форма представления или расположения данных.
	Использование ранее созданных или отдельно описанных алгоритмов и программ.
	Указание связи между прерванными линиями потока, связывающими символами.

3) На алгоритмическом языке алгоритм может быть записан либо на каком-либо языке программирования, либо на псевдокоде. Для компьютера запись алгоритма производится на одном из языков программирования.

Псевдокод - это интерпретация шагов алгоритма на обычном языке, которая описывает действие команд.

Псевдокод ориентирован на человека, но облегчает перевод на язык программирования, т.к. требует соблюдения определенных правил записи. Пример псевдокода: школьный алгоритмический язык.

4.4 Основные типы алгоритмов

Известны три типа алгоритмов - линейные, разветвляющиеся, циклические.

Линейный тип алгоритмов

Алгоритмы, в которых команды выполняются друг за другом, независимо от каких-либо условий, называются алгоритмами линейного типа.

Например, алгоритм вычисления по самым простейшим формулам, не имеющих ограничений на значения входящих в них переменных.

Пример

Постановка задачи: вычислить площадь круга, если известен радиус.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дано: R - радиус круга.

Найти: S - площадь круга.

Решение: S=3,14 R²

Словесная форма записи алгоритма

Выберем русский язык для записи алгоритма в этой форме и запишем последовательность команд, выполнение которых при заданном значении радиуса позволит найти площадь:

Прочесть значение R.

Умножить значение R на 3,14.

Умножить результат второго действия на значение R.

Записать полученный результат как значение S.

На языке блок-схем - рис. 8

Разветвляющийся тип алгоритмов

Решение задач не всегда можно представить в виде линейного алгоритма.

Алгоритмы, в которых требуется организовать выбор последовательности действий в зависимости от каких-либо условий, называют алгоритмами разветвляющегося типа.

При графическом способе ветвление организуется с помощью логического элемента (ромб), имеющего один вход и два выхода. Назначение логического элемента - проверка заданного условия. В зависимости от выполнения (истинности) или невыполнения (ложности) проверяемого условия возможен выход соответственно на ветвь «Да» или «Нет».

Пример

Постановка задачи: вычислить .

Дано: х - значение аргумента.

Найти: у - значение функции.

Решение:

y= x, если х0

Размещено на http://www.allbest.ru/

-x, если х<0

Блок-схема - см. рис. 9.

Словесное представление

На псевдокоде:

Начало

Прочесть значение х

Если х>0, то

у: = х

иначе

начало

у: = -х

Конец ветвления

Записать значение у

Конец

Выделяют полную и неполную условную конструкцию.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Циклический тип алгоритмов

При составлении алгоритмов решения достаточно большого круга задач нередко возникает потребность в неоднократном повторении одних и тех же команд.

Алгоритм, составленный с использованием многократных повторений одних и тех же действий (циклов), называется алгоритмов циклического типа.

Однако, «неоднократно» не значит «до бесконечности». Организация циклов, никогда не приводящая к остановке в выполнении алгоритма (так называемое зацикливание), является нарушением требования его результативности.

При разработке алгоритма циклической структуры выделяют следующие понятия:

параметр цикла - величина, с изменением которой связано многократное выполнение цикла;

начальное и конечное значение параметра цикла;

шаг цикла - это значение, на которое изменяется параметр цикла при каждом повторении.

Циклический алгоритм состоит из подготовки цикла, тела цикла, условия продолжения цикла.

В подготовку цикла входят действия, связанные с заданием исходных значений для параметра цикла (начальное и конечное значения, шаг параметра).

В тело цикла входят: многократно повторяющиеся действия для вычисления искомых величин; подготовка следующего значения параметра цикла, подготовка других значений, необходимых для повторного выполнения действий в теле цикла.

В условии продолжения определяется необходимость дальнейшего выполнения повторяющихся действий. Если параметр цикла превысил конечное значение, то выполнение цикла должно быть прекращено.

Рассмотрим графическое представление циклического блока алгоритма (см. рис. 10).

...