Информационные технологии

Рис. 1.16. Схема радиальной топологии (УК - устройство коммутации)



Кольцевая топология (рис. 1.17) обеспечивает передачу информации по кольцу только в одном направлении, что уменьшает надежность сети. Для повышения надежности при неисправности кабеля вводят дополнительное кольцо, что приводит к удорожанию сети.

Рис. 1.17. Схема кольцевой топологии

Многосвязная топология (рис. 1.18) наиболее сложная и дорогая, применяется очень редко для обеспечения высокой скорости и надежности.

Рис. 1.18. Схема многосвязной топологии

Топология типа общая шина (рис. 1.19) использует в качестве обслуживающего устройства одну из ЭВМ, которая обеспечивает централизованный доступ к общей информации и ресурсам. Эта топология характеризуется низкой стоимостью, высокой гибкостью и скоростью передачи данных.

Рис. 1.19. Схема топологии «общая шина»

Иерархическая топология (рис. 1.20) образуется с помощью нескольких топологий типа «общая шина»: они объединяются в дерево с корнем в виде ЭВМ, где размещаются самые важные компоненты сети. Эта топология используется в сложных системах с десятками и сотнями пользователей.

Рис. 1.20. Схема иерархической топологии

1.2.2.3 Методы передачи данных в сетях

Метод коммутации каналов требует предварительного установления прямого физического соединения между источником и получателем сообщения на все время передачи сообщения, что является недостатком данного метода. Схема передачи данных представлена на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Схема передачи данных методом коммутации каналов

На этом рисунке представлены четыре узла сети (ЭВМ), между которыми передается сообщение. Его источник - узел А, получатель - узел Д. Между А и Д сообщение проходит узлы В и С.

В отрезки времени (t₀-t₁), (t₂-t₃), (t₄-t₅) служебный сигнал перемещается между соответствующими узлами. Назначение этого сигнала - занять пройденный канал, т.е. заблокировать его от других сигналов. В общем случае последующие каналы оказываются занятыми в моменты прихода в узел служебного сигнала, поэтому в отрезки времени (t₁-t₂), (t₃-t₄) сигнал ожидает освобождения канала.

В момент времени t₅ служебный сигнал достигает получателя, а все пройденные каналы являются заблокированными. В этот момент сигнал возвращается к источнику сообщения за отрезок времени (t₅-t₆).

В момент времени t₆ начинается передача нужного сообщения (передача сообщения показана жирными линиями). В соответствии с объемом сообщения и пропускной способностью канала связи это занимает в источнике отрезок времени (t₆-t₇). В момент времени t₈ получатель сообщения принял его целиком. Передача закончена, и заблокированные каналы высвобождаются для последующего использования.

Метод коммутации сообщений (рис. 1.22) требует последовательное физическое соединение лишь между двумя соседними узлами. Таким образом, часть каналов может использоваться для передачи других сообщений.

Чистое время передачи всего сообщения (передача показана жирными линиями) в схеме рис. 1.21 - отрезок (t₆-t₈), в схеме рис. 1.22 - сумма отрезков (t₀-t₂), (t₃-t₅), (t₆-t₈). При всех равных прочих условиях значения этих периодов равны между собой. Если предположить, что время занятости канала между соседними узлами в обеих схемах совпадает, т.е. отрезки времени (t₁-t₂) и (t₃-t₄) на рис. 1.21 равны, соответственно, отрезкам (t₂-t₃) и (t₅-t₆) на рис. 1.22, то общее время передачи сигнала по схеме рис. 1.22 меньше времени передачи сигнала по схеме рис. 1.21 на величину (t₀-t₁) + (t₂-t₃) + (t₄-t₆).

Рис. 1.22. Схема передачи данных методом коммутации сообщений

Метод коммутации пакетов предполагает разбиение сообщения на части - пакеты - фиксированной длины, снабжаемые адресом получателя. После прихода на место назначения из пакетов формируется сообщение. Достоинством этого метода является то, что разные пакеты могут передаваться между узлами разными каналами связи (если позволяет топология сети). Это приводит к сокращению общего времени передачи всего сообщения.

Пусть, например, есть многосвязная топология, ЭВМ в которой обозначены символами А, В, С, Д (см. рис. 1.23).

Рис. 1.23. Многосвязная топология

Жирными линиями показаны направления передачи сообщения в соответствии с рис. 1.21 и 1.22. Пусть требуется передать сообщение из узла А в узел Д методом коммутации пакетов. При этом исходное сообщение разбивается на три пакета, которые параллельно передаются по следующим направлениям:

а) А - Д,

б) А - С - Д,

в) А - В - Д.

Тогда имеем схему передачи пакетов между узлами А и Д, представленную на рис. 1.24. Чтобы показать параллельную передачу пакетов, исходная схема декомпозирована на три схемы, показывающие передачу пакетов по направлениям, перечисленным выше.



а) б) в)

Рис. 1.24. Схема передачи данных методом коммутации пакетов

В моменты времени t₀ из пункта А одновременно начинается передача пакетов в направлениях Д, С, В. В моменты времени t₂ пакеты получены в указанных пунктах назначения (для простоты время передачи во все три пункта одинаково). Если в пунктах С и В последующие каналы заняты (на схеме они заняты одинаковое время), пакет ожидает освобождения канала (отрезок времени от t₂ до t₃). В течение времени (t₄-t₃) пакет передается в пункт назначения, где из полученных пакетов собирается цельное сообщение.

Рассмотренные методы передачи данных в сетях сталкиваются с проблемой маршрутизации, которая возникает из-за разветвленности связей узлов сети. В этом случае передаваемые данные должны «знать», как добраться до получателя сообщения. При этом в реальных сетях ставятся две дополнительные задачи: минимизация маршрута, а также равномерная загруженность сети, т.е. никакие каналы связи не должны простаивать или нагружаться недостаточно интенсивно. Выделяются следующие виды маршрутизации:

централизованная. Выбор пути осуществляется центром управления сети - одним из компьютеров, специально выделенным в сети для решения, в частности, задачи маршрутизации (такие компьютеры называют роутерами router (англ.) - маршрутизатор или маршрутизаторами). При этом роутер поддерживает таблицы маршрутов, в которых для каждого компьютера сети отражаются возможные направления передачи данных в порядке убывания их предпочтительности;

распределенная. Решение принимается каждым узлом сети независимо на основании аналогичных таблиц, которые касаются только маршрутов, исходящих из данного узла.

1.2.2.4. Организация обмена информацией в сети

Вследствие сложности процесса передачи данных в сети и из-за широкого развития сетей по инициативе Международной организации по стандартизации - ISO (International Standard Organization) - приняты международные соглашения, регламентирующие различные вопросы взаимодействия узлов в сети. При этом определены следующие уровни взаимодействия в сети:

физический:

· обеспечивает электрические, механические и функциональные характеристики подключения к каналам связи,

· преобразует сигналы из аналоговых в дискретные и обратно,

· определяет скорость передачи и топологию сети;

канальный:

· генерирует стартовый сигнал и организует начало передачи данных,

· разбивает передаваемую информацию на несколько пакетов, причем каждый пакет содержит адреса источника и места назначения, а также средства обнаружения ошибок,

· эффективно кодирует данные,

· проверяет полученную информацию и исправляет ошибки или запрашивает перепередачу искаженного сигнала,

· отключает канал при его неисправности и восстанавливает передачу после ремонта,

· генерирует сигнал окончания передачи и переводит канал в пассивное состояние;

сетевой:

· определяет маршрут передачи информации между сетями (это основная задача) и адресацию информации, управляет потоками данных,

· организует передачу данных от нескольких источников по одному каналу,

· обеспечивает обработку ошибок;

транспортный:

· управляет в целом передачей данных от источника сообщения к получателю,

· отвечает за стандартизацию обмена данными между программами, находящимися на разных компьютерах сети,

· связывает нижние уровни (физический, канальный, сетевой) с верхними уровнями, которые реализуются программными средствами;

сеансовый:

· организует и проводит сеанс связи между прикладными процессами, выполняемыми на компьютерах сети, путем определения начала и окончания сеанса связи, длительности, точек синхронизации для промежуточного контроля и восстановления при передаче данных,

· определяет правила диалога прикладных программ, рестарта, проверки прав доступа к сетевым ресурсам,

· восстанавливает соединение после ошибок во время сеанса связи без потери данных;

представительский:

· интерпретирует и преобразует передаваемые между прикладными процессами данные к виду, удобному для прикладных процессов, путем определения форматов данных, алфавитов, кодов представления специальных и графических символов,

· производит сжатие и разжатие данных;

прикладной:

· выполняет прикладные программы и административное управление сетью,

· взаимодействует с прикладными сетевыми программами, обслуживающими файлы,

· выполняет вычислительные, информационно-поисковые работы, логические преобразования информации, передачу почтовых сообщений и т.п.,

· обеспечивает удобный интерфейс для пользователя.

На разных уровнях обмен происходит различными единицами информации: биты, кадры, пакеты, сеансовые сообщения, пользовательские сообщения.

Уровни 1 и 2 составляют нижнюю группу, непосредственно связанную с каналами связи. Уровни 3 и 4 прокладывают путь данным между отправителем и получателем сообщения и управляют передачей по этому пути. Уровни 5 - 7 связаны с организацией взаимодействия прикладных программ, с вводом, хранением, обработкой данных и выдачей результатов.

Каждый из уровней выполняет «указания» уровня с большим порядковым номером, т.е. более высокого уровня. Каждый из уровней, помимо выполнения собственных функций, «подстраховывает» работу более низких уровней. Так, если канальный уровень пропустит ошибку, ее исправит транспортный.

Для обеспечения необходимой совместимости на каждом из семи возможных уровней компьютерной сети действуют специальные стандарты, называемые протоколами. По своей реализации они могут быть: аппаратными - определяют характер аппаратного взаимодействия компонентов сети, программными - определяют характер взаимодействия программ и данных.

Каждый уровень подразделяется на две части: спецификация услуг определяет, что делает уровень; спецификация протокола определяет, как он это делает, причем каждый конкретный уровень может иметь более одного протокола.

1.3 Обработка данных

В соответствии с принципом программного управления любая обработка выполняется с помощью той или иной программы, относящейся к программному обеспечению (ПО) компьютера.

1.3.1 Виды программного обеспечения компьютера

К настоящему моменту выделяют три вида программных средств: общее ПО; пакеты прикладных программ (ППП); инструментарий технологии программирования.

1.3.1.1 Общее программное обеспечение

Это совокупность программ для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ. Делится на виды:

§ базовое - осуществляет взаимодействие с аппаратными средствами (базовые программы - BIOS - «прошиваются» в микросхемы ПЗУ);

§ служебное (утилиты) - взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное их назначение состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы, в диагностике работоспособности компьютера. Также они включают антивирусные программы, программы обслуживания дисков, программы архивирования данных, программы обслуживания сетей;

§ системное - осуществляет взаимодействие программ компьютерной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением (совокупность программ системного уровня образует ядро операционной системы). Этот вид общего ПО является основным и подробно рассмотрен ниже.

Операционная система (ОС) - это комплекс программ, обеспечивающих управление работой компьютера и его взаимодействие с пользователем.

Основные функции ОС:

Ш обеспечение интерфейса между пользователем и программно-аппаратными средствами компьютера (пользовательский интерфейс): ОС позволяет человеку запускать программы, передавать им и получать от них всевозможные данные, управлять работой программ, изменять параметры компьютера и подсоединенных к нему устройств, перераспределять ресурсы;

Ш обеспечение интерфейса между программными и аппаратными средствами (аппаратно-программный интерфейс);

Ш обеспечение интерфейса между разными видами программных средств (программный интерфейс);

Ш обеспечение своего автоматического запуска, организация файловой системы и обслуживание файловой структуры (создание файлов и папок, их переименование, копирование, удаление, управление атрибутами, навигация по файловой структуре), управление установкой, исполнением и удалением приложений.

ОС для ПК различаются по нескольким параметрам:

· по числу одновременно выполняемых программ: однозадачные - позволяют в каждый момент времени решать только одну задачу; многозадачные - позволяют запустить одновременно несколько программ, которые будут работать параллельно;

· по числу одновременно работающих пользователей: однопользовательские, многопользовательские. Главным отличием вторых является наличие нескольких терминалов, подключенных к одному компьютеру;

· по сетевой поддержке: сетевые и несетевые. Сетевые не имеют фундаментальных отличий от ОС автономного компьютера. Однако они имеют развитые средства защиты от несанкционированного доступа, применяющие, в частности, идеи криптографического кодирования.

Следует заметить, что не всякая многозадачная система является многопользовательской и не всякая однопользовательская ОС является однозадачной.

Иногда для ОС разрабатываются специальные операционные оболочки, которые поддерживают удобный пользовательский интерфейс. Они имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Примерами является пакет Far для ОС Windows'xx.

ОС, с одной стороны, опирается на базовое ПО (базовая система ввода-вывода), с другой стороны, она сама является опорой для ПО более высоких уровней - служебных приложений и прикладных программ.

1.3.1.2 Пакеты прикладных программ

Это комплекс взаимосвязанных программ для решения задач определенного класса. Выделяются следующие виды ППП:

проблемно-ориентированные. Используются для тех проблемных областей, в которых возможна типизация функций, структур данных и алгоритмов обработки. Например, это ППП серии 1С: для автоматизации бухучета, финансовой деятельности, управления персоналом и т.д.;

автоматизации проектирования (или САПР). Используются в работе конструкторов и технологов, связанных с разработкой чертежей, схем, диаграмм;

общего назначения. Поддерживают компьютерные технологии конечных пользователей и включают текстовые и табличные процессоры, графические редакторы, системы управления базами данных (СУБД), пакеты программ мультимедиа, пакеты демонстрационной графики;

офисные. Обеспечивают организационное управление деятельностью офиса и индивидуума: электронные записные и телефонные книжки, календари, переводчики;

настольные издательские системы. Позволяют создавать высококачественные печатные издания и являются функционально более мощными текстовыми процессорами;

системы искусственного интеллекта. Включают информационные системы, поддерживающие диалог на естественном языке; экспертные системы, позволяющие давать рекомендации пользователю в различных ситуациях; интеллектуальные ППП, дающие возможность решать прикладные задачи без программирования.

1.3.1.3 Инструментарий технологии программирования

Это совокупность программ, обеспечивающих технологию разработки, отладки и внедрения программных продуктов.

Инструментарий технологии программирования включает следующие виды:

системы программирования - интегрированные среды разработки программ, основное назначение которых - повышение производительности труда программистов за счет автоматизации создания кодов программ, обеспечивающих интерфейс пользователя графического типа, а также за счет автоматизации разработки запросов и отчетов (например, среда Delphi);

средства для создания информационных систем (CASE CASE - Computer Aided Software Engineering-средства). Позволяют поддерживать коллективную работу над проектом за счет возможности работы в локальной сети, экспорта - импорта любых фрагментов проекта, организации управления проектом;

инструментальные среды пользователя. Встроены в ППП. Включают библиотеки функций, процедур, объектов и методов обработки; макрокоманды, программные модули-вставки, конструкторы экранных форм и отчетов; языки запросов высокого уровня.

В свою очередь, системы программирования делятся на несколько видов в зависимости от вида поддерживаемого языка программирования:

операторные. Используются для кодирования алгоритмов, а потому также называются алгоритмическими. Имеют в составе:

машинно-зависимые (ассемблер). Применяются для написания программ, явно использующих специфику конкретной аппаратуры. Каждый компьютер имеет такую систему программирования, которая изготавливается и поставляется фирмой-изготовителем вместе с компьютером;

машинно-ориентированные (язык С). Объединяет идеи ассемблера и алгоритмического языка. Программы компактны и работают очень быстро;

универсальные (TurboPascal, Basic). Приближены максимально, насколько это возможно, к естественному английскому языку: название каждой команды - английское слово;

функциональные. Применяются, как правило, для машинного моделирования той или иной проблематики. Имеют в составе:

проблемно-ориентированные (GPSS). Моделируют систему с помощью последовательности событий. Применяются, в частности, при проектировании вычислительных комплексов;

объектно-ориентированные (Delphi). Имеют встроенные средства для моделирования новых объектов программирования;

логико-ориентированные (Prolog). Отдельно описываются правила предметной области, по которым затем выводятся новые факты.

Системы программирования включают:

интегрированную среду разработчика программы, состоящую из:

текстового редактора, позволяющего создавать и корректировать исходные тексты программ,

средств поддержки интерфейса программиста с системными средствами для выполнения различных сервисных функций (например, сохранения или открытия файла);

библиотеки функций, процедур, объектов и методов обработки;

макрокоманд;

программных модулей-вставок;

конструкторов экранных форм и отчетов;

языков запросов высокого уровня;

транслятор - программу, переводящую исходный текст во внутреннее представление компьютера;

отладчик - программу для трассировки и анализа выполнения прикладных программ. Позволяет отслеживать выполнение программы в пооператорном режиме, идентифицировать место и вид ошибок в программе, наблюдает за изменением значений переменных, выражений и т.д.;

компоновщик - программу для подготовки прикладной программы к работе в конкретных адресах основной памяти компьютера;

справочные системы.

Обращает на себя внимание обилие средств, относящихся к инструментарию технологии программирования. Это связано со сложностью разработки программного продукта (соответствующие технологии рассматриваются в учебном курсе «Программирование»).

1.3.2 Режимы обработки данных

Существуют следующие основные режимы обработки данных в компьютере: пакетный, реального времени, разделения времени, интерактивный.

При пакетном режиме (второе название - фоновый) каждая порция не срочно обрабатываемой информации (как правило, в больших объемах) преобразуется без вмешательства извне. Пользователь не имеет непосредственного общения с ЭВМ. Сбор, регистрация, ввод и обработка информации не совпадают по времени. Этот режим реализуется, когда свободны ресурсы вычислительных систем и обработка может прерваться более срочными и приоритетными процессами и сообщениями, по окончании которых она возобновляется автоматически.

Режим реального времени обеспечивает управление объектом, соответствующее динамике его производственных процессов. Он означает способность вычислительной системы взаимодействовать с контролируемыми или управляемыми процессами в темпе протекания этих процессов. Время реакции может измеряться секундами, минутами и должно удовлетворять темпу контролируемого процесса или требованиям пользователей, а потому иметь минимальную задержку. Обработка данных по одному запросу завершается до появления другого. Как правило, такой режим используется при централизованной и распределенной обработке данных (см. далее) и применяется для объектов с динамическими процессами.

В режиме разделения времени в одном компьютере осуществляется чередование во времени процессов решения разных задач. Ресурсы компьютера для оптимального их использования предоставляются сразу группе пользователей циклично, на короткие интервалы времени. При этом система выделяет свои ресурсы группе пользователей поочередно. Поскольку ЭВМ быстро обслуживает каждого из группы, создается впечатление одновременной их работы.

Интерактивный режим предполагает возможность двустороннего взаимодействия пользователей с системой, т.е. пользователь может воздействовать на процесс обработки данных. Такая работа осуществляется в режиме реального времени и обычно используется для организации диалога.

Различают следующие способы обработки данных на компьютере:

1) централизованный. Связан, в основном, с пакетным режимом обработки. Пользователь доставляет в единый центр обработки свою исходную информацию и получает результаты в удобное ему время. Сейчас этот способ используется в высоконадежных и эффективных центрах обработки данных,

2) децентрализованный. Связан с появлением ПК, позволивших автоматизировать конкретные рабочие места и повлекших за собой возникновение распределенной обработки,

3) распределенный. Обработка выполняется на независимых, но связанных между собой компьютерах, представляющих распределенную систему, т.е. на компьютерных сетях,

4) интегрированный. Создается распределенная база данных, которая коллективно используется пользователями, но предполагает централизованное управление.

1.4 Представление данных

Эта процедура связана с использованием различных устройств вывода компьютера, которые позволяют представить результаты обработки в форме, наиболее удобной для пользователя. В зависимости от вида сигнала-носителя данных различают устройства вывода на бумажный и электронный носитель.

1.4.1 Устройства вывода на электронный носитель

Это мониторы, или дисплеи. В соответствии с технологиями работы мониторов наиболее распространенными являются следующие: использующие электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), жидкокристаллические, плазменные.

1.4.1.1 Мониторы, использующие ЭЛТ

Часть современных настольных компьютеров использует мониторы на базе ЭЛТ. По принципу действия подобные мониторы мало чем отличаются от обычного телевизора: испускаемый электродом (электронной пушкой) пучок электронов, попадая на экран, покрытый люминофором, вызывает его свечение. Заметим, что любое текстовое или графическое изображение на экране монитора компьютера (как, впрочем, и телевизора) состоит из множества дискретных точек люминофора - пикселей. Поэтому такие дисплеи называют еще растровыми. В случае цветного монитора имеются три электронных пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: R (Red, красный), G (Green, зеленый), В (Blue, синий). Каждый цвет представлен на поверхности экрана зерном, причем они расположены так, что образуют вершины равностороннего треугольника, как показано на рис. 1.25.

Рис. 1.25. Схема размещения цветовых зерен на экране монитора

Эти цвета называются обычно первичными, поскольку путем сложения соответствующего их количества можно получить любой другой цвет. Такая модель цветообразования называется аддитивной (addition - сложение), или RGB. Яркость конкретного цвета определяется интенсивностью падающего на ту или иную точку луча. Для коррекции пучков электронов (чтобы они попадали на нужную каплю люминофора) используется теневая маска. Поскольку электронные пушки находятся на расстоянии друг от друга, углы падения пучков электронов немного различаются, что дало возможность создать теневую маску таким образом, что нужный луч попадает на нужную каплю люминофора, а два остальных луча закрыты маской, т.е. капля находится «в тени».

Каждый пиксель имеет координаты на плоскости экрана монитора, которые используются для генерации изображения в этой точке.



1.4.1.2 Жидкокристаллические мониторы

Работают в режиме пропускания или отражения света. Состоят из множества пропускающих или отражающих ячеек, схемы которых показаны на рис. 1.26 и 1.27.

Рис. 1.26. Схема пропускающей ячейки

Рис. 1.27. Схема отражающей ячейки

Управление ячейками ведется по принципу «включено - выключено» токами малой энергии, что исключает электромагнитные излучения, присущие ЭЛТ. При подаче напряжения на электроды кристалл становится непрозрачным и, в случае пропускающей технологии, не пропускает луч, а в случае отражающей технологии - не отражает луч.

Каждая ячейка - это пиксель, имеющий координаты, используемые для генерации изображения.

Для получения цветного изображения в стеклянной пластине интегрировано три цветных фильтра - красный, зеленый, синий, каждый из которых управляется с помощью прозрачного электрода. Для получения нужного цвета подается напряжение на нужные фильтры.

1.4.1.3 Плазменные мониторы

Схема плазменной панели представлена на рис. 1.28.

Рис. 1.28. Схема плазменной панели

Проводники (отдельно - горизонтальные и вертикальные) нанесены на две стеклянные пластины. Пространство между пластинами заполнено инертным газом, который начинает светиться, как только к проводникам прикладывается напряжение, превышающее некоторое пороговое значение. Для локализации свечения между пластинами помещается третья с круглыми отверстиями.

Пиксель - это воображаемая точка, полученная на пересечении проводников на двух пластинах. Номера проводников есть координаты этой точки, которые используются для генерации в ней изображения.



1.4.2 Устройства вывода на бумажный носитель

Эти устройства разделяются на принтеры и плоттеры (или графопостроители). Считается, что принтеры предназначены в основном для вывода текста (хотя могут выводить и графические изображения), а плоттеры - для вывода графики (хотя могут выводить и тексты). Фасетная классификация данных устройств приведена в табл. 1.5.

Механические устройства вывода используют механические принципы действия. На современном уровне развития информатики к ним относятся струйные устройства вывода. Немеханические используют в качестве принципа работы физико-химические процессы, возникающие в специальных носителях при воздействии различных источников энергии (светового потока, магнитного поля, электростатического напряжения, лазерного луча). Основными их типами являются: электрографические, магнито- (или ферро-) графические, электростатические, термические.

Таблица 1.5

Классификация устройств вывода на бумажный носитель

Способ регистрации изображений при выводе	Рабочий формат	Внутреннее представление выводимой информации
Механические	Малоформатные	Векторные
Немеханические	Среднеформатные	Растровые
	Крупноформатные

В соответствии с рабочим форматом различают три типа устройств вывода, имеющих следующие форматы, соответственно типам из табл. 1.5: А4 и А3; А2 и А1; больше А0.

Векторные устройства вывода используют представление выводимых данных как набор векторов. Например, выводимое изображение - цифра 1, шаблон для которой представлен на рис. 1.29. В случае векторного представления данных это изображение задается набором векторов в системе координат XxY, т.е. множеством {(x_i, y_i)}. В нашем случае i={1,2,…,15}, поскольку символ представлен пятнадцатью точками (на рис. 1.29 этим точкам соответствуют единицы).

Растровые устройства вывода используют представление изображения в виде растровой матрицы (рис. 1.29), которая сканируется строка за строкой при выводе. Таким образом, изображение формируется из точек строго последовательно. По такому принципу работают немеханические устройства вывода.

а) б)

Рис. 1.29. Растровое - а) и векторное - б) представление цифры 1

1.4.2.1 Технология формирования цвета

Устройства вывода на бумажный носитель работают с другими первичными цветами, нежели мониторы, и используют соответственно иную модель цветообразования - субтрактивную (subtraction - вычитание). Это может создавать большие проблемы при выводе информации с экрана на устройство вывода, поскольку не всегда достигается полное соответствие цветов. Для решения задачи обычно служит специальное ПО.

Первичными цветами для цветных принтеров являются зелено-голубой (Cyan), светло-красный (Magenta) и желтый (Yellow). Наложение двух из этих первичных цветов дает красный, зеленый или голубой цвет. Смешение всех трех первичных цветов субтрактивной модели дает черный цвет. В некоторых устройствах вывода для получения истинно черного цвета используется отдельный черный краситель (blacK), поэтому данная модель цветообразования называется также CMY или CMYK.

Модели цветообразования для мониторов и устройств вывода на бумажный носитель различаются по следующим причинам. Человеческие глаза являются сложной оптической системой, которая воспринимает излучаемый или уже отраженный от освещаемых предметов свет. Цвет, в свою очередь, определяется длиной волны электромагнитного излучения, определенный частотный спектр которого и представляет видимый свет. Таким образом, нанесенные на экран точки люминофора воспринимаются именно того цвета, какой они и излучают. Краситель же, нанесенный на бумагу, напротив, действует как фильтр, поглощая (вычитая!) одни и отражая другие длины электромагнитных волн. Напомним также, что насыщенность цвета (розовый, красный, пурпурный) зависит от количества белого цвета. Таким образом, промежуточные цвета при выводе изображения, например, розового, получаются, как правило, путем пропуска (не печати) нескольких точек.

Собственно, это обычный подход, связанный с растрированием изображения. Оттенки соответствующего цвета получаются путем группировки нескольких точек изображения в псевдопиксели размером 2х2, ЗхЗ и более точек. Отношение количества цветных точек к белым и определяет уровень насыщенности цвета.

1.4.2.2 Струйная технология

Струйная технология является на сегодняшний день самой распространенной для реализации цветных устройств вывода. Упрощенная схема струйного устройства вывода представлена на рис. 1.30.

В эмиттере под давлением из сопла поступают чернила. Ускоряющий блок электризует и ускоряет капельный поток, при этом каждой из капель сообщается определенный электрический заряд. В блоке управления изменяется траектория полета капель с помощью отклоняющих пластин, а также выполняется включение и отключение струи. Блок синхронизации синхронизует работу остальных устройств.

Рис. 1.30. Упрощенная схема струйного устройства вывода

Струйные устройства вывода подразделяются на устройства непрерывного и дискретного действия. Последние, в свою очередь, делятся на две категории: с нагреванием чернил («пузырьковая» технология) и основанные на действии пьезоэффекта.

В простейшем случае принцип действия устройства по технологии непрерывного действия основан на том, что струя чернил, постоянно испускаемая из сопла печатающей головки, направляется либо на бумагу (для нанесения изображения), либо в специальный приемник, откуда чернила снова попадают в общий резервуар. В рабочую камеру чернила подаются микронасосом, а элементом, задающим их движение, является, как правило, пьезодатчик. Данный принцип действия использует сегодня очень небольшое количество устройств вывода.

При реализации дискретного метода с нагреванием чернил в каждом сопле печатающей головки находится маленький нагревательный элемент (например, тонкопленочный резистор). При пропускании тока через тонкопленочный резистор последний за несколько микросекунд нагревается до температуры около 500 градусов и отдает выделяемое тепло непосредственно окружающим его чернилам. При резком нагревании образуется чернильный паровой пузырь, который старается вытолкнуть через выходное отверстие сопла каплю жидких чернил. Поскольку при отключении тока тонкопленочный резистор также быстро остывает, паровой пузырь, уменьшаясь в размерах, «подсасывает» через входное отверстие сопла новую порцию чернил, которые занимают место «выстреленной» капли. Схема термоструйной головки показана на рис. 1.31.

Рис. 1.31. Схема термоструйной головки

Второй метод для управления соплом при дискретной технологии основан на действии диафрагмы, соединенной с пьезоэлектрическим элементом. Пьезоэффект заключается в деформации пьезокристалла под воздействием электрического поля. Изменение размеров пьезоэлемента, расположенного сбоку выходного отверстия сопла и связанного с диафрагмой, приводит к выбрасыванию капли и приливу через входное отверстие новой порции чернил.

Сопла (канальные отверстия) на печатающей головке струйных устройств вывода, через которые разбрызгиваются чернила, соответствуют «ударным» иглам матричных принтеров. Поскольку размер каждого сопла существенно меньше диаметра иглы (тоньше человеческого волоса), а количество сопел может быть больше, то получаемое изображение теоретически должно быть в этом случае четче. К сожалению, на практике это достигается только применением специальных чернил.



1.4.2.3 Электрографическая технология

Примером устройства вывода, использующего электрографическую технологию, является лазерный принтер (плоттер). Схема лазерного принтера приведена на рис. 1.32.

Рис. 1.32. Схема лазерного устройства вывода 1 - источник лазерного луча, включающийся и выключающийся управляющим микропроцессором; 2 - шестигранное зеркало, разворачивающее луч в строку; 3 - отражающее зеркало; 4 - печатающий барабан; 5 - валик, подающий из специального контейнера красящий материал (тонер) на барабан;6 - очиститель валика от тонера; 7 - узел фиксации изображения

Наиболее важными частями лазерного принтера можно считать фотопроводящий барабан (4), полупроводниковый лазер (1) и прецизионную оптико-механическую систему, перемещающую луч (2). Лазер формирует электронное изображение на светочувствительном фотоприемном покрытии барабана последовательно для каждого цвета тонера (CMYK). Перед приемом строки изображения барабан заряжается с помощью облегающей его сетки (на рисунке не показана), которая под напряжением вызывает возникновение ионизированной области вокруг барабана, которая его и заряжает. Попадающий на барабан луч разряжает некоторые участки. После формирования строки изображения шаговый двигатель поворачивает барабан для формирования следующей строки. Когда изображение на фоточувствительном слое полностью построено, подаваемый лист заряжается таким образом, чтобы тонер из устройства 5 попадал на барабан, а затем с барабана притягивался к бумаге. После этого изображение закрепляется на ней за счет нагрева частиц тонера до температуры плавления (это осуществляется в блоке 7): тонер содержит легко плавящееся вещество (полимер или смолу); при нагревании и повышении давления порошок плавится и соединяется с бумагой. Окончательную фиксацию изображения осуществляют специальные валики, прижимающие расплавленный тонер к бумаге (не показаны).

1.5 Накопление данных

Накопление данных - это их перенос во времени путем организации долговременного размещения данных в виде информационных массивов. В случае электронных носителей, если информационный процесс автоматизирован, в роли таких массивов выступают файлы или базы данных (БД).

При накоплении данные организуются таким образом, чтобы достаточно просто и оперативно выполнить поиск нужной информации, который осуществляется по специальным ключевым реквизитам. Методика поиска определяется организацией информационных массивов. Для минимизации времени поиска часто при использовании электронных носителей вводятся дополнительные служебные массивы. При этом имеет значение экономический аспект: стоимость процедуры накопления должна быть соизмерима с ценностью данных.

Различают структурированные и неструктурированные данные. В структурированных данных отражаются отдельные факты предметной области. Эта форма наиболее распространена в современных БД. Неструктурированные данные произвольны по формату и содержат тексты, графику и другие формы. Такие данные широко используются, например, в Интернет-технологиях и предоставляются пользователю в виде отклика поисковыми системами Интернета.

Для структурированных данных файл - это совокупность однотипно построенных записей, где под записью понимают элемент накопления, в состав которого входит группа взаимосвязанных полей. Эта группа конструируется на основе какой-то реальной задачи и может повторяться как конструкция с изменением лишь значений отдельных полей записей.

Особенности файловой организации структурированных данных, связанные с ее недостатками:

по мере возникновения новых задач в предметной области создаются новые файлы;

организация файлов независима, поэтому нельзя представить информацию, отражающую взаимодействие файлов между собой;

использование файлов зачастую требует знания их принципа организации и языков программирования;

большое время затрачивается на получение ответа на запрос, качество решений бывает невысоким из-за отсутствия целостного представления данных;

имеет место дублирование данных;

усложнены процедуры модификации данных.

Для неструктурированных данных файл - это собственно информационный элемент, произвольный по структуре и содержанию, например, некоторый документ, подготовленный в MS Word.

С увеличением сложности решаемых задач и расширением возможностей используемых средств вычислительной техники с начала 60-х г. г. XX века получает развитие концепция БД. Первоначально они были ориентированы на структурированные данные. Отличительные особенности БД:

взаимная связь данных, что упрощает их модификацию;

возможность разделения данных на данные общего пользования (формируют глобальные БД) и данные для конкретных прикладных задач (составляют локальные БД). Такая технология называется распределенной. Она может привести к некоторой избыточности данных и порождает проблему защиты данных и управления правами доступа;

для поддержания глобальных БД и разработки общей структуры БД вводится должность администратора БД.

Для управления данными в БД разрабатываются специальные языковые средства: языки описания структур данных и языки манипулирования данными, которые составляли системы управления базами данных - СУБД. Современные СУБД, в основном, ориентированы на структурированные данные. Они характеризуются направленностью на распределенную обработку и имеют графический интерфейс для описания данных и манипулирования ими. Тем не менее остаются встроенные языки программирования, которые позволяют решать задачи, не укладывающиеся в принятые интерфейсные средства.

В настоящее время разрабатываются СУБД и для неструктурированных данных.

Накопление включает процедуры актуализации и обеспечения информационной безопасности.

Под актуализацией понимается поддержание данных на уровне, соответствующем информационным потребностям решаемых задач в системе, где организована ИТ. Актуализация данных осуществляется с помощью следующих операций:

· добавление новых данных к уже хранимым данным,

· корректировка (изменения значений или элементов структур) данных,

· уничтожение данных, если они устарели и уже не могут быть использованы при решении функциональных задач системы.

Информационной безопасностью называют меры по защите информации от неавторизованного доступа, разрушения, модификации, раскрытия и задержек в доступе. Информационная безопасность дает гарантию того, что достигаются следующие цели:

· конфиденциальность закрытой информации;

· целостность информации и процессов ее создания, ввода, обработки и вывода;

· доступность информации, когда она нужна;

· учет всех процессов, связанных с информацией.

В настоящее время наиболее подробным законодательным документом России в области информационной безопасности является Уголовный кодекс. В разделе "Преступления против общественной безопасности" имеется глава "Преступления в сфере компьютерной информации". Она содержит три статьи - "Неправомерный доступ к компьютерной информации", "Создание, использование и распространение вредоносных программ для ЭВМ" и "Нарушение правил эксплуатации ЭВМ, системы ЭВМ или их сетей". Уголовный кодекс стоит на страже всех аспектов информационной безопасности - доступности, целостности, конфиденциальности, предусматривая наказания за "уничтожение, блокирование, модификацию и копирование информации, нарушение работы ЭВМ, системы ЭВМ или их сетей".

Защита информации включает следующие аспекты:

1) законодательный - принятие законов, нормативных актов, стандартов как на государственном, так и на местном уровне;

2) идеологический - разъяснения, убеждения, приемы воспитания персонала, направленные на обеспечение безопасности данных;

3) управленческий - это различные организационные решения (распоряжения, приказы и т.д.), направленные на обеспечение безопасности данных;

4) организационный. Заключается в выполнении технических норм работы с носителями информации, например:

Ш носители должны храниться в местах, недоступных для посторонних лиц;

Ш важная информация должна иметь несколько копий на разных носителях;

Ш защиту данных на жестких дисках следует поддерживать периодическим копированием их на другие машинные носители. При этом частота копирования должна выбираться из соображений минимизации среднего времени на копирование и времени на восстановление информации после последнего копирования в случае возникновения дефектов в модифицированной версии;

Ш данные, относящиеся к различным задачам, целесообразно хранить отдельно;

Ш необходимо строго руководствоваться правилами обращения с носителями;

5) программно-технический (рассматривается далее). Включает процессы:

Ш управление доступом - это защита данных от несанкционированного доступа;

Ш управление целостностью - это защита от неверных изменений и разрушений.



2. Понятие, эволюция и классификация информационных технологий

2.1 Определение информационных технологий

Существуют различные определения ИТ. Вот некоторые из них.

ИТ Технология в переводе с греческого языка - искусство, мастерство, умение, т.е. то, что имеет непосредственное отношение к процессам, которые представляют собой определенную совокупность действий, направленных на достижение поставленной цели. - это совокупность методов и способов преобразования информации, направленных на изменение ее состояния, свойств, формы, содержания и осуществляемых в интересах пользователей.

ИТ - это процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления - информационного продукта.

Толковый словарь по информатике предлагает следующее определение: ИТ - совокупность методов, производственных процессов и программно-технических средств, объединенных в технологическую цепочку, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, вывод и распространение информации для снижения трудоемкости процессов использования информационных ресурсов, повышения их надежности и оперативности.

Цель ИТ - производство информации для ее анализа потребителем информации и для принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия. ИТ предназначена для снижения трудоемкости процессов использования информационных ресурсов.

ИТ, повышая эффективность использования информационных ресурсов, выступают не только как важнейший инструмент деятельности в информационной сфере общества, но также и как мощный катализатор развития научно-технического прогресса. Именно поэтому проблема развития и совершенствования ИТ, т.е. средств и методов сбора, обработки и передачи данных, в настоящее время занимает одно из приоритетных мест в стратегии научно-технического и социально-экономического развития передовых стран мира, является важным аспектом их национальной политики.

ИТ включает:

§ отдельные операции по преобразованию информации, входящие в состав фаз информационного процесса, и их логическое следование во времени (см. разд. 1);

§ инструментальную среду, с помощью которой выполняется преобразование информации (иначе - виды обеспечения ИТ, важнейшими из которых являются техническое, программное и математическое обеспечение);

§ информационную среду как совокупность специальной терминологии, характерной для информационной технологии. Сюда входит профессиональный язык разработчиков ИТ, а также лексикон ее пользователей. Эта терминология является предметом изучения «компьютерных» специальностей;

§ систему управления деятельностью по преобразованию информации. Она предполагает производственные отношения между ИТ-специалистами и заказчиками во время разработки ИТ, а также производственные отношения между различными специалистами во время эксплуатации ИТ.

ИТ тесно связана с информационными системами (ИС), которые являются для нее основной средой. ИС - это человеко-компьютерная система обработки информации, основная цель которой - организация накопления и обмена информацией. Реализация функций ИС невозможна без знания ориентированной на нее ИТ. Однако ИТ может существовать и вне сферы ИС.

В информатике используют понятия современной ИТ и новой ИТ. Современная ИТ предполагает автоматизацию информационного процесса, т.е. использование для его реализации средств вычислительной техники. Очевидно, когда на современном этапе говорят о ИТ, то подразумевают ее автоматизированный вариант, хотя на практике существует множество неавтоматизированных технологий работы с информацией. Новая ИТ - это современная ИТ, использующая такой информационный ресурс как знания.

Характерные черты ИТ:

1) целью процесса в ИТ является получение информации (информационного продукта),

2) предметом процесса в ИТ являются данные или знания,

3) средства осуществления процесса в ИТ представляются различными вычислительными комплексами - программными, аппаратными, программно-аппаратными,

4) процессы обработки данных в ИТ разделяются на операции в соответствии с выбранной предметной областью,

5) управляющие воздействия на процессы в ИТ осуществляются лицами, принимающими решения,

6) критериями оптимальности процесса в ИТ служат своевременность доставки информации пользователям, ее надежность, достоверность, полнота,

7) ИТ обеспечивают высокую степень декомпозиции всего процесса преобразования данных на этапы, операции, действия,

8) ИТ включают весь набор элементов для достижения поставленной цели.

Характерные свойства ИТ:

1) безопасность - отсутствие угрозы жизни или здоровью людей и риска, связанного с возможностью нанесения ущерба при ее использовании,

2) документируемость - возможность представления ИТ на материальных носителях в соответствии с действующими правилами оформления документации,

3) завершенность - отсутствие ошибок, допущенных при разработке ИТ, по результатам тестирования,

4) защищенность - способность фиксировать или блокировать действия по несанкционированному доступу к информации или попытки ее разрушения,

5) надежность - гарантированность реализации в процессе эксплуатации ИТ всех ее функций в соответствии с заданными требованиями,

6) открытость (расширяемость) - возможность введения в ИТ новых элементов и (или) связей,

7) понятность - простота освоения сущности ИТ пользователем,

8) проверяемость - возможность проверки реализуемости функций ИТ, заявленных в документации, а также контролируемость в процессе эксплуатации,

9) сложность - количество и характер составляющих ИТ элементов, связей между ними и трудоемкость их разработки,

10) унифицированность - степень использования взаимозаменяемых элементов,

11) эффективность - совокупность эффективностей технического, экономического и социального характера при использовании ИТ.

2.2 Эволюция информационных технологий

Термин информационные технологии возник в 70-х г. г. ХХ века и стал означать технологию обработки информации с помощью компьютеров и других средств вычислительной техники. Компьютеры изменили процессы работы с информацией, повысили оперативность и эффективность управления, но одновременно породили серьезные социальные проблемы. Современная ИТ базируется на активном участии в информационном процессе потребителей информации (их называют пользователями или конечными пользователями), на удобном, дружественном интерфейсе, на широком использовании ППП общего и профессионального назначения, на доступе пользователей к удаленным БД и программам путем использования компьютерных сетей.

2.2.1 Поколения компьютеров

Эволюция ИТ тесно связана с поколениями компьютеров как основного инструментария. В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ, краткая характеристика которых приведена в табл. 2.1.

...