Размещено на http://allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Московский государственный университет экономики, статистики и информатики

Московский международный институт эконометрики, информатики, финансов и права

Учебное пособие

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

Ронова Г.Н.

Москва 2003

Содержание

• Введение
• 1. Предмет и задачи информатики. Основные термины и определения
• 1.1 Истоки и предпосылки возникновения информатики
• 1.2 Современное продолжение кибернетики - гомеостатика
• 1.3 Единицы измерения данных
• 1.4 Единицы хранения данных
• 1.5 Исторические аспекты развития вычислительной техники
• Вопросы для самоконтроля
• 2. Устройство ЭВМ
• 2.1 Системный блок
• 2.1.1 Материнская плата
• 2.1.2 Видеосистема ПЭВМ
• 2.1.3 Накопители на гибких магнитных дисках
• 2.1.4 Накопители на жестких магнитных дисках
• 2.1.6 Звуковая карта
• 2.2 Клавиатура
• 2.3 Мышь
• 2.4 Принтеры
• 2.5 Устройства обмена данными
• 2.6 Методика выбора конфигурации компьютера
• 2.7 Вопросы безопасности работы с ПЭВМ
• Вопросы для самоконтроля
• 3. Программное обеспечение ПЭВМ
• 3.1 Классификация программного обеспечения ПЭВМ
• 3.2 Операционные системы ПЭВМ
• 4.3 Другие приложения, относящиеся к общему программному обеспечению
• 3.4 Программы создания текстовых приложений (текстовые редакторы)
• 3.4.3 Основные приемы работы с редактором текста Word
• 3.5 Программы обработки данных в электронных таблицах
• 3.6 Системы управления базами данных
• 3.7 Специальное программное обеспечение
• 3.8 Основы компьютерной безопасности
• Вопросы для самоконтроля
• Литература
• Приложения
• Введение
• Основное отличие информатики от других дисциплин, изучаемых в высшем учебном заведении, состоит в том, что ее предмет изучения меняется с все возрастающими темпами. Сегодня количество компьютеров в мире превышает 500 миллионов единиц и продолжает удваиваться в среднем каждые три года. Вместе с тем, в количественном отношении темп численного роста вычислительных систем заметно превышает темп подготовки специалистов, способных эффективно работать с ними. При этом в среднем один раз в полтора года удваиваются основные технические параметры аппаратных средств, один раз в два-три года меняются поколения программного обеспечения, и один раз в пять-семь лет меняется база стандартов, интерфейсов и протоколов. Таким образом, основным отличием информатики от других дисциплин является тот факт, что ее предметная область изменяется чрезвычайно динамично. В основе информатики, как науки положен термин информация.
• Информация (informatio) - обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом (роботом), между автоматами, обмен сигналами в животном и растительном мирах.

Человеческое общество по мере своего развития прошло этапы овладения веществом, затем энергией, и сегодня информацией. С самого начала человеческой истории возникла потребность передачи и хранения информации. Для передачи информации сначала использовался язык жестов, а затем человеческая речь. Первым способом хранения информации стали наскальные рисунки, в IV тысячелетии до н.э. появилась письменность и первые носители информации (шумерские глиняные таблички и египетские папирусы). В середине XV века было изобретено книгопечатание, что позволило сделать информацию доступной для гораздо большего количества людей. С конца XIX века для передачи информации на дальние расстояния по проводам стали широко использоваться телеграф и телефон, а в XX веке - электромагнитные волны (радио, телевидение). Первой попыткой автоматизированной обработки информации стало создание Чарльзом Бэббиджем в середине XIX века механической цифровой аналитической машины. Однако лишь с середины XX века начался постепенный переход от индустриального к информационному обществу. В информационном обществе главным ресурсом является информация, именно на основе владения информацией о самых различных процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую деятельность. В информационном обществе повышается не только качество потребления, но и качество производства, человек, использующий информационные технологии, имеет лучшие условия труда, труд становится творческим, интеллектуальным и т.д.

Информационное общество - это общество, в котором большая часть населения занята получением, переработкой, передачей и хранением информации.

В настоящее время развитые страны мира (США, Япония, страны Западной Европы) фактически уже вступили в информационное общество, другие же, в том числе и Россия, находятся на ближних подступах к нему. Сегодня в качестве основных критериев развитости информационного общества можно выделить следующие три:

· наличие компьютеров;

· уровень развития компьютерных сетей;

· количество населения занятого в информационной сфере, а также использующего информационные технологии в своей повседневной деятельности.

Сегодня в России насчитывается более 1,5 миллиона компьютеров. И хотя по абсолютному значению это достаточно большое количество, в среднем персональный компьютер есть только у каждого 10 россиянина. В развитых странах Западной Европы этот показатель значительно выше. Обычно количество компьютеров в развитых странах несколько превышает численность населения и больше не увеличивается. Меняется только качественный состав вычислительной техники.

В настоящее время существенной тенденцией в информатизации общества является переход от использования компьютеров в автономном режиме к использованию их в информационных сетях. Только информационные сети создают реальную возможность быстрого и удобного доступа пользователя ко всей информации, накопленной человечеством за свою историю. Электронная компьютерная почта, компьютерные телеконференции и видеоконференции, поиск информации во «Всемирной паутине» стали повседневной практикой пользователей компьютеров в развитых странах.

Развитие глобальных компьютерных сетей началось в 80-е годы. В 1981 году в сети Интернет насчитывалось лишь 213 компьютеров, к концу 80-х количество подключенных к сети компьютеров возросло до 150 тысяч, однако наиболее быстрый экспоненциальный рост их количества происходил в 90-е годы. Чтобы убедиться в этом, достаточно проследить рост количества серверов в глобальной компьютерной сети Интернет (данные на январь каждого года), которое к началу 1999 года достигло 43 миллионов.

Рисунок 1 Динамика роста количества серверов Интернет

Развитие глобальной компьютерной сети требует наличия каналов связи с высокой пропускной способностью. В 1999 году началась реализация международного проекта по созданию сети волоконно-оптических сверхскоростных каналов связи, общая протяженность которых должна составить 275 тыс. километров и которые должны объединить 174 страны. О степени информатизации отдельных стран можно судить по количеству серверов Интернет и количеству пользователей его ресурсами. Интересно сравнить эти показатели для США и России, количество серверов Интернет составляет, соответственно, около 28 млн. и 200 тыс., а количество пользователей около 60 млн. и 1,5 млн. человек.

По данным ООН, в 90-е годы количество работников, занятых в информационной сфере (для которых обработка информации является основной производственной функцией) возросло, примерно, на 25%, тогда как количество занятых в сельском хозяйстве и промышленности сократилось, соответственно, на 10 и 15%. Компьютеры и информационные технологии интенсивно проникают и в сферу материального производства: инженер, фермер, специалисты других традиционных профессий все чаще имеют на своем рабочем месте компьютер.

Характерной чертой современного общества стало тенденция стремительного нарастания объемов информации, воздействующей на человека. Для того чтобы в этом море «не утонуть», необходимо обладать определенной информационной культурой, т.е. знаниями и умениями в области информационных технологий, а также быть знакомым с нравственными и юридическими нормами в этой сфере.

Процесс информатизации общества меняет традиционные взгляды на перечень умений и навыков, необходимых для социальной адаптации. На заре цивилизации, в античном мире и в средние века до изобретения книгопечатания навык каллиграфического письма был залогом успешного продвижения по социальной лестнице.

В индустриальном обществе (до изобретения персональных компьютеров) навыки письма ручкой необходимы были для любого члена общества.

Наконец, в настоящее время, на пороге информационного общества социальная значимость навыка ввода информации с клавиатуры резко возрастает. Создание и редактирование документов на компьютере становится в информационном обществе социально необходимым умением.

Современные информационные технологии позволяют включать в состав документа любые мультимедийные объекты (графику, звук, анимацию, видео). Умение работать с информацией, представленной во всех этих формах, становится также социально значимым явлением в нашем обществе.

Для человека традиционно необходимым является умение производить вычисления. Технология вычислений по мере развития цивилизации существенно менялась: устный счет, вычисления на бумаге, арифмометр, компьютеров информационном обществе на первый план выходит умение обрабатывать числовую информацию на компьютере. Характерным признаком современной России является переход к рыночной экономике. На этом этапе возникает потребность в большом количестве специалистов в области экономики и бухгалтерского учета. Работа специалистов в этих областях деятельности немыслима без использования компьютеров и информационных технологий.

Важнейшей составной частью информационной культуры современного человека является коммуникативная культура с использованием современных информационных технологий. Развитие сетевых информационных технологий сделало информационные ресурсы глобальной компьютерной сети Интернет потенциально доступными большинству человечества. Получение необходимой информации из сети становится неотъемлемой частью информационной культуры современного человека.

В современных рыночных отношениях роль информационных технологий резко возрастает как фактор, который дает преимущества в конкурентной борьбе.

Рисунок 2 Значение информационных технологий в бизнесе

На рис. 2 представлены рейтинги факторов, оказывающих влияние на результаты конкурентной борьбы (по взглядам руководителей крупных компаний в США (USA) и Европе (Europe)).

В более консервативной Европе информационные технологии по значимости стоят на 6 месте после факторов отношений с покупателями, людскими ресурсами, уровнем компетенции, производительностью, уровнем организационной структуры. В то же время в США этот показатель стоит на втором месте.

В России значение информационных технологий в бизнесе по мнению экспертов несколько отличается от рассмотренного выше и зависит от уровня развития предприятия, фирмы или компании. Тенденция следующая, чем больше концентрируется капитал, тем больше значение руководители придают информационным технологиям.

При этом вклад в информационные технологии может достигать до 10 и более процентов от прибыли для фирм, не связанных с производством, хранением и передачей информации. В небольших российских фирмах внедрение информационных технологий все еще остается элементом престижа.

Основной вектор развития информационных технологий в России направлен на информационное обеспечение процессов управления. При этом информационные технологии высокого уровня, например, интеллектуальные системы поддержки решений используются весьма ограниченно и преимущественно в финансовой сфере управления.

Что же реально требуется в настоящее время от различных специалистов в области информатики? Можно сказать коротко - это заложено в требованиях Государственных образовательных стандартов в области информатики (см. прил. 1). Да это так, но с учетом требований рынка специалистов сегодня необходимы следующие качества, которые гарантируют карьерный рост в своей области [1].

Руководитель фирмы в области информационных технологий должен:

· Знать, что реально может дать применение ИТ для увеличения эффективности управленческих решений;

· Знать тенденции развития информационных технологий и вычислительной техники и с учетом этого определять информационную политику фирмы;

· Уметь использовать программы по организации работы руководителя и планирования работ (задач), информационные и несложные аналитические системы.

Руководитель отдела в области информационных технологий должен:

· Уметь использовать программное обеспечение современного офиса;

· Уметь использовать задачи планирования и организации работ исполнителей;

· Уметь использовать сетевые информационные ресурсы (ИНТЕРНЕТ);

· Знать тенденции развития информационных технологий.

Менеджер в области информационных технологий должен:

· Уметь профессионально использовать программное обеспечение современного офиса (требования по скорости ввода информации);

· Уметь использовать программное обеспечение для обоснования управленческих решений (электронные таблицы, статистические и аналитические программы);

· Уметь использовать сетевые информационные ресурсы (ИНТЕРНЕТ);

· Знать тенденции развития информационных технологий.

Бухгалтер в области информационных технологий должен:

· Профессионально владеть специальным программным обеспечением (1С);

· Уметь использовать программное обеспечение современного офиса;

· Иметь достаточный уровень владения технологиями доступа к локальным и глобальным информационным ресурсам;

· Знать тенденции развития информационных технологий.

Юрист в области информационных технологий должен:

· Профессионально владеть правовыми информационными системами;

· Уметь использовать программное обеспечение современного офиса;

· Иметь достаточный уровень владения технологиями доступа к локальным и глобальным информационным ресурсам;

· Знать тенденции развития информационных технологий.

Финансист в области информационных технологий должен:

· Иметь высокий уровень владения технологиями современного офиса;

· Быть ознакомлены с банковскими информационными системами;

· Иметь достаточный уровень владения технологиями доступа к локальным и глобальным информационным ресурсам;

· Знать тенденции развития информационных технологий.

Наконец, в заключение не могу не остановиться на еще одной тенденции сегодняшнего дня - постоянно увеличивающейся скоростью внедрения новых информационных технологий в бизнес. Иллюстрацией этому может служить сравнительный график использования различных технологий в США, приведенный журналом Economist. По горизонтали на этом графике отложено время, прошедшее с момента появления соответствующей технологии, а по вертикали - процент населения, использующий ее.

Рисунок 3 Скорость внедрения информационных технологий в бизнес

Если автомобилю для достижения уровня проникновения в 40% (уровень незаменимости) понадобилось почти 80 лет, для телефона - 60, а для электричества - 50, то персональные компьютеры и Интернет прошли тот же путь всего за 20 лет.

По прогнозам большинства аналитиков 80% охвата населения (пунктирная кривая) для этих технологий будут достигнуты в течение ближайших десяти лет. Темпы использования Интернета и персональных компьютеров являются взаимосвязанными и взаимно стимулирующими процессами.

Так, быстрое развитие Интернета началось с того момента, когда количество персональные компьютеров достигло «критической массы» в 30. Быстрый рост Интернета, в свою очередь, стимулировал дальнейшее ускоренное распространение компьютеров.

На сегодняшний день Интернет является одним из мощнейших катализаторов проникновения информационных технологий в самые широкие слои бизнеса. Интернет становится тем инструментом, который позволяет максимально быстро доставить информацию максимально широкому кругу потребителей.

Вопросы для самоконтроля

1. Чем отличается информационное общество от индустриального?

2. По каким основным параметрам можно судить о степени развитости информационного общества и почему?

3. Что можно сказать о росте производства компьютеров?

4. Что можно сказать о развитии глобальной компьютерной сети Интернет?

5. Какие умения необходимы в информационном обществе в первую очередь?

6. Как влияют информационные технологии на результаты конкурентной борьбы?

7. Какие особенности внедрения информационных технологий на Российский рынок?

8. Какие требования к специалистам в области информационных технологий гарантируют им социальный и карьерный рост?

9. Каковы, на Ваш взгляд, перспективы развития нашего общества в области информационных технологий через 10 лет?

1. Предмет и задачи информатики. Основные термины и определения

Информатика -- это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информационной технологией. Предмет информатики составляют следующие понятия:

· аппаратное обеспечение средств вычислительной техники и телекоммуникаций ;

· программное обеспечение средств вычислительной техники и телекоммуникаций;

· средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

· средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

В информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия или интерфейсу. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппаратно-программные интерфейсы. Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.

Информатика -- практическая наука, интегрирующая достижения в различных отраслях человеческих знаний. В составе основных задач информатики сегодня можно выделить следующие направления для практических приложений:

1. Архитектура вычислительных систем (приемы и, методы построения систем, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных);

2. Интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);

3. Программирование (приемы, методы и средства разработки компьютерных программ);

4. Преобразование данных (приемы и методы преобразования структур данных);

5. Защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты данных);

6. Автоматизация (функционирование программно-аппаратных средств без участия человека);

7. Стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программными средствами, а также между форматами представления данных, относящихся к различным типам вычислительных систем).

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым понятием является эффективность. Для аппаратных средств под эффективностью понимают отношение производительности оборудования к его стоимости (с учетом стоимости эксплуатации и обслуживания). Для программного обеспечения под эффективностью понимают производительность лиц, работающих с ними (пользователей). В программировании под эффективностью понимают объем программного кода, создаваемого программистами в единицу времени.

В информатике все жестко ориентировано на эффективность. Вопрос, как сделать ту или иную операцию, для информатики является важным, но не основным. Основным же является вопрос, как сделать данную операцию эффективно.

1.1 Истоки и предпосылки возникновения информатики

Слово информатика происходит от французского слова Informatique, образованного в результате объединения терминов Informacion (информация) и Automatique (автоматика), что выражает ее суть как науки об автоматической обработке информации. Кроме Франции термин информатика используется в ряде стран Восточной Европы. В то же время, в большинстве стран Западной Европы и США используется другой термин -- Computer Science (наука о средствах вычислительной техники).

В качестве источников информатики обычно называют две науки -- документалистику и кибернетику. Документалистика сформировалась в конце XIX века в связи с бурным развитием производственных отношений. Ее расцвет пришелся на 20-30-е годы XX века, а основным предметом стало изучение рациональных средств и методов повышения эффективности документооборота.

Впервые термин кибернетика ввел французский физик Андре Мари Ампер в первой половине XIX веке. Он занимался разработкой единой системы классификации всех наук и обозначил этим термином гипотетическую науку об управлении, которой в то время не существовало, но, по его мнению, должна была существовать.

Основы близкой к информатике технической науки кибернетики были заложены значительно позднее трудами по математической логике американского математика Норберта Винера, опубликованными в 1948 году, а само название происходит от греческого слова (kyberneticos -- искусный в управлении). По Н.Винеру любая система управления состоит из контуров управления, включающих управляющий орган, управляемый объект, а также прямую (от управляющего органа) и обратную (от управляемого объекта) связями управления. Кроме того, в качестве помехи управления рассматривают еще и внешнюю среду.

При определенных условиях и ограничениях на частоту и качество передаваемых сигналов от управляющего органа к объекту и обратно такие системы управления достаточно устойчивы даже при отрицательном воздействии среды, приводящему к искажению передаваемой информации или даже к ее исчезновению. Мы не будем вдаваться в более глубокий анализ контура управления, чтобы выявить предельные характеристики, при которых полностью нарушается управления системой. Для этого необходимо использовать математический аппарат передаточных функций. Но даже грубый анализ контура управления показывает, что при отсутствии обратной связи невозможно создать устойчивую систему управления.

Оказалось, что с использованием подобного контура невозможно описать все процессы управления, так как в сложных системах управления объекты могут действовать по определенным, возможно даже своим, законам, которые называются принципом внешнего дополнения. Такими же принципами могут руководствоваться и управляющие органы. Поэтому в настоящее время кибернетика получает второй более мощный импульс развития, который может привести к прорыву в области, как аппаратных, так и программных систем информатики.

Сегодня предметом кибернетики являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами -- методы моделирования процесса принятия решений техническими и программными средствами, связь между психологией человека и математической логикой, связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе, разработка принципов и методов искусственного интеллекта. На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники, что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

1.2 Современное продолжение кибернетики - гомеостатика

Новое направление в развитии современной кибернетики представлено в работах отечественного ученого профессора, доктора технических наук Горского Юрия Михайловича, который за вклад в развитие кибернетики объявлен человеком года в США в 1996 году [2]. В основу гомеостатики (гомеостаз - свойство систем поддерживать свое состояние в заданных условиях независимо от внешних воздействий) положены современные представления закона единства и борьбы противоположностей. На основе этого закона Ю.М. Горским была предложена новая модель управления любой системы, основанные на включении в систему объектов - антагонистов (рис. 4). Эта модель включает 8 прямых и обратных связей и позволяет создавать чрезвычайно устойчивые системы из объектов - противоположностей или антагонистов, даже если эти противоположности изначально неустойчивые. При этом сами противоположности могут иметь разную природу, начиная от неживых (косных) систем и кончая общественными (материальными и идеальными). Ю.М. Горский сформулировал постулаты, определяющие условия существования гомеостатов в природе и обществе. Первые три гласят следующее:

Постулат 1. Два антагониста, как устойчивые, так и неустойчивые, а также их комбинация (один устойчивый, второй неустойчивый) могут быть объединены в устойчивую систему, если выполняются необходимые и достаточные условия для их «склеивания».

Постулат 2. В качестве необходимого условия такого «склеивания» является «зеркальное» объединение антагонистов, чтобы для каждого антагониста его «зеркальный» оппонент образовывал цепь обратной связи (в результате получается структура, обладающая, как бы, двойной отрицательной обратной связью; возможно всего восемь способов «склеивания» антагонистов, удовлетворяющих этим условиям).

Постулат 3. Достаточными условиями «склеивания» является выполнение трех требований:

- асимметрия параметров антагонистов не должна превышать определенного предела асимметрии;

- асимметрия заданий, прикладываемых к потенциальным антагонистам не должна превышать определенного предела асимметрии;

- степень неустойчивости потенциальных антагонистов не должна превышать определенного критического значения.

Рисунок 4 Модельустойчивого гомеостата

Подобные модели управления позволяют анализировать и создавать экономические, социальные, правовые и информационные системы любой сложности и надежности, с чрезвычайно устойчивыми состояниями. К сожалению, направленность этого пособия не позволяет рассмотреть конкретные приложения этого нового научного направления, но автор глубоко уверен в том, что в ближайшее время могут быть сделаны радикальные изменения в информатике на основе этих научных открытий.

1.3 Единицы измерения данных

В информатике основной элемент информации представлен в виде данных (о том, как могут представляться знания в информационных системах - отдельный разговор). Существует много различных систем и единиц измерения данных. Каждая научная дисциплина и каждая область человеческой деятельности может использовать свои, наиболее удобные или традиционно устоявшиеся единицы. В информатике для измерения данных используют тот факт, что разные типы данных имеют универсальное двоичное представление, и потому вводят свои единицы данных, основанные на этом представлении.

Данные различаются типами, что связано с различиями в физической природе сигналов, при регистрации которых образовались данные. В качестве средства хранения и транспортировки данных используются носители данных. Для удобства операций с данными их структурируют. Наиболее широко используются следующие структуры: линейная, табличная и иерархическая. При сохранении данных образуются данные нового типа -- адресные данные.

С целью унификации приемов и методов работы с данными в вычислительной технике применяется универсальная система кодирования данных, называемая двоичным кодом. Элементарной единицей представления данных в двоичном коде является двоичный разряд (бит). Другой, более крупной единицей представления данных является байт. Поскольку одним байтом, как правило, кодируется один символ текстовой информации, то для текстовых документов размер в байтах соответствует лексическому объему в символах (пока исключение представляет универсальная кодировка UNICODE, в которой каждый символ представляется в виде двух байтов, что позволяет описывать 2¹⁶ степени состояний информационных единиц и представлять практически все используемые в мире таблицы национальных символов).

Более крупная единица измерения -- килобайт (Кбайт). Условно можно считать, что 1 Кбайт примерно равен 1000 байт. Условность связана с тем, что для вычислительной техники, работающей с двоичными числами, более удобно представление чисел в виде степени двойки, и потому на самом деле 1 Кбайт равен 2¹⁰ байт (1024 байт). Однако всюду, где это не принципиально, с инженерной погрешностью (до 3 %) «забывают» о «лишних» байтах.

В килобайтах измеряют сравнительно небольшие объемы данных. Условно можно считать, что одна страница неформатированного машинописного текста составляет около 2 Кбайт.

Более крупные единицы измерения данных образуются добавлением префиксов мега-, гига-, тера-; в более крупных единицах пока нет практической надобности:

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 10²⁰ байт

1Гбайт =1024 Мбайт = 10³⁰ байт

1Тбайт =1024 Гбайт = 10⁴⁰ байт

Особо обратим внимание на то, что при переходе к более крупным единицам «инженерная» погрешность, связанная с округлением, накапливается и становится недопустимой, поэтому на старших единицах измерения округление производится реже. Понятие о байте, как группе взаимосвязанных битов, появилось вместе с первыми образцами электронной вычислительной техники. Долгое время оно было машинно-зависимым, то есть для разных вычислительных машин длина байта была разной. Только в конце 60-х годов понятие байта стало универсальным и машинонезависимым. Во многих случаях целесообразно использовать не восьмиразрядное кодирование, а 16-разрядное, 24-разрядное, 32-разрядное и более. Группа из 16 взаимосвязанных бит (двух взаимосвязанных байтов) в информатике называется словом. Соответственно, группы из четырех взаимосвязанных байтов (32 разряда) называются удвоенным словом, а группы из восьми байтов (64 разряда) -- учетверенным словом. Пока, на сегодняшний день, такой системы обозначения достаточно.

1.4 Единицы хранения данных

При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение). Для обеспечения доступа необходимо, чтобы данные имели упорядоченную структуру, а при этом образуется «паразитная нагрузка» в виде адресных данных. Без них нельзя получить доступ к нужным элементам данных, входящих в структуру. Поскольку адресные данные тоже имеют размер и тоже подлежат хранению, хранить данные в виде мелких единиц, таких, как байты, неудобно. Их неудобно хранить и в более крупных единицах (килобайтах, мегабайтах и т. п.), поскольку неполное заполнение одной единицы хранения приводит к неэффективности хранения.

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл -- это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Проще всего представить себе файл в виде безразмерной папки, в которой можно по желанию добавлять содержимое или извлекать его оттуда. Поскольку в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, и косвенно говорит о той информации, которая содержится в файле.

Совокупность файлов образует файловую структуру, которая, как правило, относится к иерархическому типу. Полный адрес файла в файловой структуре является уникальным и включает в себя собственное имя файла и путь доступа к нему.

1.5 Исторические аспекты развития вычислительной техники

Первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ), которые могли автоматически по заданной программе обрабатывать большие объемы информации, были созданы в 1946 году в США (ЭНИАК) (рис. 5). В 1950 году в СССР (МЭСМ) были созданы первые ЭВМ, а затем БЭСМ. В 40 - 60-х годах производство ЭВМ измерялась единицами, десятками и, в лучшем случае, сотнями штук. ЭВМ были очень дорогими и очень большими (занимали громадные залы) и поэтому оставались недоступными для массового потребителя. Массовое производство сравнительно недорогих персональных компьютеров началось с начала 80-х годов с компьютера Apple (с этого компьютера начала свое существование фирма Apple). Количество произведенных персональных компьютеров начало составлять десятки тысяч в год, что по тем временам было колоссальным достижением.

В начале 80-х годов приступила к массовому производству персональных компьютеров корпорация IBM (компьютеры так и назывались IBM Personal Computer - IBM PC). Достаточно скоро IBM-совместимые компьютеры стали выпускать многие фирмы, и их производство достигло сотен тысяч в год. Производство персональных компьютеров постоянно росло и к концу 1990-х годов достигло 100 млн. в год.

Персональный компьютер постоянно совершенствовался, его производительность возросла на три порядка, при этом, что очень важно, цена практически не изменилась. Персональный компьютер стал доступен массовому потребителю, и теперь в развитых странах мира компьютер имеется на большинстве рабочих мест и в большинстве семей. Можно выделить 4 этапа развития ЭВМ или поколений. В соответствие с принятой в России классификацией эти этапы определяются, прежде всего, уровнем развития технологий производства ЭВМ. Первые ЭВМ в качестве основных элементов - тригеров использовали радиолампы, поэтому появление первых транзисторов привело к резкому снижению объемов ЭВМ и к увеличению их возможностей (второй этап).

Рисунок 5 Этапы развития ЭВМ

Можно выделить 4 этапа развития ЭВМ или поколений. В соответствие с принятой в России классификацией эти этапы определяются, прежде всего, уровнем развития технологий производства ЭВМ. Первые ЭВМ в качестве основных элементов - тригеров использовали радиолампы, поэтому появление первых транзисторов привело к резкому снижению объемов ЭВМ и к увеличению их возможностей (второй этап).

Переход производства ЭВМ на интегральные схемы низкой степени интеграции привели к появлению ЭВМ третьего поколения и сделали возможным и доступным для массового использования микро-ЭВМ небольших размеров. Следующий скачок вызвало появление интегральных схем с высокой степенью интеграции элементов в кристаллах (несколько миллионов элементов в одном кристалле). На этом появились доступные персональные одноплатные ЭВМ, которые и привели к возникновению информационного бума в мире.

Рисунок 6 Эволюция ЭВМ

На рис. 6 представлены взлеты и падения развития отечественной вычислительной техники. Для России характерна некоторая трагичность в развитии вычислительной техники. Если первые образцы ЭВМ типа БЭСМ -6 (средний класс производительности) и МИР-1 (ЭВМ малой производительности) были безусловно лучшими в мире по архитектуре, надежности и условиям работы для программистов, то последующие поколения ЭВМ типа ЕС ЭВМ были по сути многоэтапным клонированием западных вычислительных систем. Такая стратегическая ошибка в определении стратегии развития вычислительной техники в СССР привела к глубокому кризису в развитии вычислительной техники. Огромные затраты на производство ЕС ЭВМ не обеспечивали вычислительные потребности страны и привели к безнадежному отставанию России в области массовых вычислительных систем.

Существует и другая более прагматичная классификация, предложенная специалистами Microsoft, которая на наш взгляд более перспективна для прогнозирования дальнейшего анализа развития ЭВМ (рис. 7).

Рисунок 7 Устройство ПЭВМ

В соответствие с этой классификацией эволюция развития ЭВМ прошла через три стадии, каждая из которых определялась, прежде всего, теми прагматическими задачами, которые ставило общество перед новой отраслью знаний - информатикой.

Первая эпоха называлась эпохой вычислительных задач. Она возникла в том момент, когда мощный импульс получила атомная энергетика и проектирование устройств и ядерных боеприпасов стало практически невозможным ручными методами. Необходимы были производительные вычислительные машины и соответствующее программное обеспечение их для решения чисто инженерных задач. Наиболее популярным алгоритмическим языком был Fortran. В эту эпоху получили распространение Майн - фреймы (одномашинные комплексы), которые занимали площади до нескольких сотен квадратных метров.

Вторая эпоха развития ЭВМ зародилась в недрах первой эпохи и связано с разработкой относительно не очень дорогих вычислительных машин, основной задачей которых было - высоконадежное и оперативное управление сложным производством на объектах энергетики (в том числе ядерной) и других опасных для экологии и человека производств. На таких производствах необходимо было исключить человека, как очень ненадежное звено в системах управления с низкой скоростью реакции на внезапные ситуации. В России в этот период клонировались серии ЭВМ типа PDP-11, которые у нас проходили как ЭВМ серии СМ (СМ-1, СМ-2, и т.д.). Эти ЭВМ занимали площади 20 кв. м. (размер комнаты), были неприхотливы в обслуживании и имели небольшой штат обслуживающего персонала. В России до сих пор на некоторых объекта энергетики используются эти ЭВМ (например, на Сургутских ГРЭС).

Третья эпоха - эпоха бизнес-задач, возникла в конце 80-х годов как сформировавшейся социальный заказ на массовое внедрение в бизнес новых ЭВМ и новых информационных технологий. Именно в этот период и появились первые ЭВМ, которые по цене (первые образцы стоили $5000) были доступны для населения развитых стран. Этот период дал мощный толчок развития всех отраслей знаний и технических систем, резко повысив производительность во всех отраслях знаний.

А что будет дальше? Какой заказ рождается в данный момент? Об этом можно много говорить и частично мы уже ответили на этот вопрос, рассматривая новые направления развития кибернетики - гомеостатики. Сформулируем, а точнее выскажем бездоказательно утверждение о том, что в данный момент формулируется несколько социальных заказов и требований на средства вычислительной техники.

Прежде всего, создание устройств, своевременно прогнозирующих и предупреждающих экологические катастрофы. Эти устройства должны быть встроены в системы управления экологически опасных производств и технологий и алгоритм их функционирования основывается на определенных принципах взаимоотношений с Человеком.

Следующее направление - полная автоматизация рутинных процессов производства и создание интеллектуальных адаптивных к внешним воздействиям устройств с элементами искусственного интеллекта. Наиболее вероятный прорыв возможен на стыке таких наук как кибернетика и генетика, когда будут создаваться комбинированные устройства, включающие электронные элементы и элементы живой природы. Вполне вероятно появление уже через 10 лет устройств подобных Терминатору. Но готовы ли мы к такому скачку развития информационных технологий?

Вопросы для самоконтроля

1. Информатика это технология или отрасль науки?

2. Какие задачи информатики сегодня наиболее актуальны? Что мы понимаем под информатикой?

3. Как вы полагаете, являются ли данные товаром? Могут ли методы быть товаром?

4. Какие научные основы информатики? Что такое кибернетика, какие задачи она решает? Что такое кибернетический контур управления?

5. Что представляет собой новое научное направление в информатике - гомеостатика? Как Вы представляете себе гомеостат? Приведите пример гомеостатов в системе управления.

6. Что означает третий постулат Ю. Горского?

7. Как вы понимаете динамический характер информации? Что происходит с ней по окончании информационного процесса?

8. Можем ли мы утверждать, что данные, полученные в результате информационного процесса, адекватны исходным? Почему? От каких свойств исходных данных и методов зависит адекватность результирующих данных?

9. В чем измеряются данные?

10. Что такое файл, почему для хранения не используются фиксированные по размеру структуры?

11. Как развивалась вычислительная техника по взглядам российских ученых?

12. В чем эволюция развития ЭВМ по Microsoft?

2. Устройство ЭВМ

Сегодня уже трудно себе представить, что существуют еще студенты, которые ни разу не видели компьютер. К сожалению, не все еще на них умеют работать, но было бы желание. В этом разделе мы познакомим вас с устройством персональной ЭВМ или Hardware (англ.). Обсудим тенденции их развития и расскажем о методике выбора конфигурации компьютера для решения различных задач.

Персональный компьютер сегодня -- достаточно универсальная система, конфигурацию (состав оборудования) которой можно гибко изменять по мере необходимости. Это может быть издательский комплекс и игровая машина, и рабочее место юриста, бухгалтера, экономиста и психолога. Тем не менее, существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Понятие базовой конфигурации может меняться. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства (рис. 8):

· системный блок;

· монитор;

· клавиатуру;

· мышь.

Полное устройство современного компьютера, кроме перечисленных выше компонентов, включает также принтер (устройство печати), сканер (устройство для ввода графических документов), модем (устройство для передачи данных по телефонным каналам связи), акустическую систему - микрофон и звуковые колонки.

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные еще в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.

1. Принцип программного управления . Сущность этого принципа заключается в том, что программа состоит из набора команд, которые выполняются центральным рабочим элементом компьютера процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности автоматически, без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Заключается в том, что программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти -- число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

Рассмотрим более подробно устройство компьютера.

2.1 Системный блок

Звуковая карта предназначена для выполнения операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком диске для последующей обработки и использования.

Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем выше качество звучания. Минимальным требованием сегодняшнего дня являются 16 разрядов, а наибольшее распространение имеют 32-разрядные и 64-разрядные устройства.

2.1.1 Материнская плата

Материнская плата -- основная плата персонального компьютера (рис. 10).

Рис. 10. Материнская плата

На ней размещаются:

? процессор -- основная микросхема, выполняющая большинство математических и логических операций;

? микропроцессорный комплект (чипсет) -- набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющих основные функциональные возможности материнской платы;

? шины -- наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;

? Оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) -- набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда компьютер включен;

? ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) -- микросхема, предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда компьютер выключен;

? разъемы для подключения дополнительных устройств (слоты).

Процессор -- основной элемент компьютера, в котором и производятся все вычисления. Конструктивно процессор может иметь несколько вариантов компоновки (рис. 11).

Рис. 11. Варианты компоновки процессоров

Процессор представляет собой сложное электронное устройство для выполнения различных операций. Различают два типа архитектуры микропроцессоров - CISC и RISC. CISC (Complex Instruction Set Computer) подразумевает, что процессор поддерживает очень большой набор команд (более 200) и имеет небольшое число регистров.

В свою очередь, RISC-архитектура (Reduced Instruction Set Computer) означает ограниченный набор команд и большое число внутренних регистров. Споры о том, что лучше, идут до сих пор. RISC-процессоры работают быстрее, так как команды простые и стоят дешевле, но программы для них занимают больше места, чем для CISC. Именно поэтому в условиях дефицита оперативной памяти первоначальное развитие процессоров для персональных компьютеров пошло в направлении CISC-архитектуры

В основе работы процессора лежит тот же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов.

По сути, процессор представляет собой устройство конвейерного типа по выполнению команд в соответствии с определенным тактом. В персональном компьютере тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в микропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на материнской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры могли работать с частотой не выше 4,77 МГц (1 Гц или герц - одно колебание в секунду), а сегодня рабочие частоты некоторых процессоров уже превосходят 1000 миллионов тактов в секунду (1000 МГц).

Тактовые сигналы процессор получает от материнской платы, которая, в отличие от процессора, представляет собой не кристалл кремния, а большой набор проводников и микросхем. По чисто физическим причинам материнская плата не может работать со столь высокими частотами, как процессор. Сегодня ее предел составляет 100-133 МГц. Для получения более высоких частот в процессоре происходит внутреннее умножение частоты на коэффициент 3; 3,5; 4; 4,5; 5 и более.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область -- так называемую кэш-память.

Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэш-память.

Основная задача процессора - выполнять программу и делать это как можно быстрее. Самое простое решение - повышение тактовой частоты. Когда достигается предел, определяемый технологией изготовления, приходится искать другие способы повышения производительности. Именно набор подобных решений сделал Pentium быстрее 486-го процессора. Хотя оба работали на одной частоте. В Pentium впервые был применен двойной конвейер: команды могут исполняться параллельно, до двух за один такт. Практически все инструкции могут выполняться параллельно. Общий прирост производительности при использовании второго конвейера составляет 115-200%.

Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость, рассматривают как семейства профессоров. Так, например, все процессоры Intel Pentium относятся к так называемому семейству х86. Родоначальником этого семейства был 16-разрядный процессор Intel 8086, на базе которого собиралась первая модель компьютера IBM PC. Впоследствии выпускались процессоры Intel 80286, Intel 80386, Intel 80486, Intel Pentium 60, 66, 75, 90, 100, 133; несколько моделей процессоров Intel Pentium MMX, модели Intel Pentium Pro, Intel Pentium II, Intel Celeron, Intel Xeon, Intel Pentium III и другие. Все эти модели, и не только они, а также многие модели процессоров компаний AMD и Cyrix относятся к семейству х86 и обладают совместимостью по принципу «сверху вниз».

Принцип совместимости «сверху вниз» -- это пример неполной совместимости, когда каждый новый процессор «понимает» все команды своих предшественников, но не наоборот. Это естественно, поскольку двадцать лет назад разработчики процессоров не могли предусмотреть систему команд, нужную для современных программ. Благодаря такой совместимости на современном компьютере можно выполнять любые программы, созданные в последние десятилетия для любого из предшествующих компьютеров, принадлежащего той же аппаратной платформе. Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти.

...