Электронно-вычислительная машина

Содержание

1 Теоретические основы ЭВМ

1.1 Информация и ее представление

1.2 Системы счисления

1.3 Логические операции

1.4 Единицы измерения информации

2 УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ

2.1 Схема фон Неймана

2.2 Основные устройства компьютера и их свойства

3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

3.1 Типы программного обеспечения

3.2 Файловая система

3.3 Основные операции с файлами. Буфер обмена

4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

4.1 Обработка текста. Текстовые процессоры

4.2 Компьютерная графика

4.3 Электронные таблицы

4.4 Реляционные базы данных

5 АЛГОРИТМЫ И ПРОГРАММЫ

5.1 Алгоритмы. Способы записи алгоритмов

5.2 Языки высокого уровня

5.3 Основные операторы и синтаксические конструкции

6 Компьютерные телекоммуникационные сети

6.1 Основные принципы организации современных компьютерных сетей

6.2 Служба Domain Name System (DNS)

6.3 Почтовая служба (E-mail)

6.4 Служба File Transfer Protocol (FTP)

6.5 Служба World Wide Web (WWW)

6.6 Ресурсы в сети

1 Теоретические основы ЭВМ

 

1.1 Информация и ее представление

 

Информатика — научное направление, занимающееся изучением законов, методов и способов накапливания, обработки и передачи информации с помощью ЭВМ (электронно-вычислительных машин, или компьютеров) и других технических средств.

Информация — сведения об окружающем мире, повышающие уровень осведомленности человека.

До тех пор пока информации было сравнительно немного, люди могли получать и обрабатывать ее без посредников. Увеличение объема информации привело к необходимости ускорения ее обработки. Для этого были разработаны механизмы, которые автоматизировали обработку информации. В настоящее время самым совершенным устройством переработки и хранения информации является компьютер.

Для машинной обработки информацию нужно записывать, обозначая буквы числами, т. е. кодировать ее. Поэтому необходимо знать способы записи числа.

1.2 Системы счисления

 

Системой счисления называют правила записи чисел с помощью некоторого набора знаков. В зависимости от способа использования этих знаков системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.

В непозиционных системах счисления каждый знак обозначает всегда одно и то же число, и значения знаков в записи обычно суммируются. Поэтому для записи больших чисел приходится вводить все новые и новые знаки. Непозиционные системы неудобны для записи больших чисел и для выполнения арифметических действий.

Одна из непозиционных систем счисления используется до сих пор — это римская система счисления.

В римской системе счисления для небольших чисел используются такие знаки: I — один; V — пять; X — десять; L — пятьдесят; С — сто; D — пятьсот; М — тысяча.

В позиционных системах счисления один и тот же символ имеет разное количественное значение в зависимости от его позиции относительно других символов.

Поэтому в позиционных системах для записи любых чисел используется ограниченный набор знаков — цифр.

Наиболее распространенным способом записи чисел является десятичная система счисления. Каждое число записывается сочетанием десяти цифр, в котором вклад конкретной цифры зависит от ее позиции — разряда. Разряды отсчитываются справа налево. Первый разряд называется разрядом единиц, второй — десятков, третий — сотен и т. д.

Число в десятичной системе счисления можно представить с помощью операций сложения, умножения и возведения в степень. Например,

4321 = 4 • 10³ + 3 • 10² + 2 • 10¹ + 1 • 10°.

Помимо десятичной системы счисления есть и другие позиционные системы: двоичная, троичная, четверичная, восьмеричная, шестнадцатеричная и т. д. Их названия соответствуют основаниям систем счисления.

Основание системы счисления — число цифр, допустимых в записи числа. Если число записано в позиционной системе счисления, отличной от десятичной, то основание указывается нижним индексом.

Например,

43218 = 4 • 8³ + 3 • 8² + 2 • 8¹ + 1 • 8°.

Если основание системы счисления больше 10, то числа, которые больше 9, обозначают последовательно буквами латинского алфавита. Например,

AD2F₁₆ = 10 • 16³ + 13 • 16² + 2 • 16¹ + 15 • 16° = 44335₁₀.

В компьютерах используется двоичном, система счисления.

Поскольку запись числа в двоичной системе получается достаточно длинной, в целях уменьшения ее длины часто используют восьмеричную или шестнадцатеричную системы счисления.

Для перевода числа из двоичной системы в десятичную достаточно записать его в виде суммы произведений и подсчитать результат. Например,

11100101₂ = 1 • 2⁷ + 1 • 2⁶ + 1 • 2⁵ + 0 • 2⁴ + 0 • 2³ + 1 • 2² + 0 • 2¹ + 1 • 2° = 229₁₀.

Аналогично осуществляется перевод из любой другой позиционной системы счисления в десятичную.

Правило перевода чисел из позиционной системы с основанием а₁₀ в десятичную систему:

 

Перевод чисел из десятичной системы в систему с произвольным основанием. Метод перевода состоит в нахождении остатков от деления числа на степени основания той системы, в которую нужно перевести число. Последовательность этих остатков и есть запись числа в новой системе. Разряды отсчитываются справа налево. Делить надо до тех пор, пока не получен окончательный остаток.

Пример 1. Перевести из десятичной в двоичную систему число 123.

123₁₀= 1111011₂.

Пример 2. Перевести число 475 из десятичной системы в шестнадцатеричную.

1.3 Логические операции

 

В основе всех действий с информацией лежат так называемые логические операции.

Логические переменные — переменные, которые могут принимать только два значения: ИСТИНА или ЛОЖЬ. Часто эти значения обозначают цифрами 1 и 0 (1 — ИСТИНА, 0 —ЛОЖЬ).

Логическая операция — действие, выполняемое над логическими переменными, его результат также либо ИСТИНА, либо ЛОЖЬ.

Базовые логические операции: логическое сложение (операция ИЛИ), логическое умножение (операция И) и отрицание (операция НЕ).

Логическое сложение (ИЛИ) — логическая операция, результатом выполнения которой является значение ИСТИНА, если хотя бы одна из логических переменных имеет значение ИСТИНА. Записывается с помощью знака «Ú»: A Ú В.

Логическое умножение (И) — логическая операция, результатом выполнения которой является ИСТИНА, если все логические переменные имеют значение ИСТИНА, во всех остальных случаях результат — ЛОЖЬ. Записывается с помощью знака «Ù»: А Ù В.

Отрицание (НЕ) — логическая операция, которая выполняется над одной логической переменной, ее результатом является значение ИСТИНА, если исходным значением было ЛОЖЬ, и ЛОЖЬ, если было ИСТИНА. Записывается двумя способами: ØА или  .

Из логических переменных с помощью логических операций и скобок (для указания порядка действий) строятся логические выражения.

Например, (А Ù В) Ú  Ú (В Ù С).

1.4 Единицы измерения информации

Поскольку в компьютерах используется запись информации в двоичной системе счисления, то количество информации измеряют, подсчитывая число двоичных разрядов (ячеек), необходимых для ее записи. Для удобства приняты следующие единицы измерения информации:

1 бит — одна ячейка, может хранить только значения 0 или 1;

1 байт = 8 бит;

1 килобайт = 1024 байта;

1 мегабайт = 1024 килобайта;

1 гигабайт = 1024 мегабайта.

Обратите внимание на то, что единицы измерения информации основываются на степенях числа 2. Десятичные приставки (кило, мега и т. д.) дописываются только условно, так как 210 = 1024 — число, близкое к 1000.

2 УСТРОЙСТВО СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ

 

2.1 Схема фон Неймана

 

Принципиальная конструкция современных компьютеров опирается на схему фон Неймана. Эта схема определяет функции отдельных частей компьютера (рис. 1).

Рис. 1

Согласно схеме фон Неймана обработка информации выполняется процессором. Все действия, совершаемые процессором заданы программой — принцип программного управления. Данные и программы во время работы хранятся в оперативной памяти, для долгосрочного хранения те и другие переводятся из оперативной во внешнюю память. При этом человек вводит данные через устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер, микрофон), а получает результат обработки через устройства вывода (монитор, принтер, акустические колонки).

Все программы и данные для работы процессора хранятся в памяти. Если их там нет, то компьютер работать не будет.

Объем устройств памяти определяется максимальным количеством информации, которое они могут хранить.

Оперативная память не может хранить данные при отсутствии электропитания. Для хранения данных без электропитания применяются разные виды внешней памяти. Самые распространенные сейчас устройства внешней памяти — дисковые, чаще всего это всевозможные магнитные диски.

Постоянная память содержит программы, с которых начинается работа ЭВМ. Без этих программ компьютер не сможет получить программы и данные из внешней памяти. Постоянная память не зависит от электропитания. Однако эта память медленнее, а объем ее невелик. Для изменения данных в ней требуется специальное устройство — программатор. В современных персональных компьютерах такое устройство есть, но используют его редко — только тогда, когда надо исправить ошибки в базовых программах.

Определяя назначение каждого устройства, схема не указывает способы изготовления, принципы работы устройств и методы связи между ними.

Принципы, которые определяют соединение устройств или их внутреннее устройство, называют архитектурой.

 

2.2 Основные устройства компьютера и их свойства

 

Почти все современные компьютеры сконструированы на основе шинной архитектуры. Согласно этой архитектуре различные устройства связываются между собой с помощью общего канала — шины. В некоторых случаях ее называют магистралью. К общему каналу подключаются различные устройства (процессор, оперативная память и т. д.). С шиной они часто соединены специальными устройствами-посредниками — контроллерами и адаптерами (рис. 2).

Рис.2

К одному контроллеру может присоединяться несколько устройств, работающих по известным ему стандартам. Контроллеры бывают самые разные — для подключения внешних устройств ввода-вывода, дисков и т. д.

Современные ЭВМ собираются из ультрабольших интегральных схем (УБИС). УБИС — это небольшие пластинки кремния, на которых вкраплениями других материалов созданы отдельные логические элементы. Такие элементы уложены очень плотно, что позволяет разместить на небольшой пластинке сложную схему.

Существует огромное количество микросхем для различных применений. Для решения конкретной задачи их часто выпускают целыми наборами — чипсетами (chipset).

Микросхемы собираются на платах — пластинах непроводящего материала, на которых закреплены проводники. К проводникам присоединяются микросхемы (припаиваются или вставляются в заранее припаянные разъемы).

Современные компьютеры конструируют, исходя из двух основных принципов: блочно-модульного и принципа открытой архитектуры.

Блочно-модульный принцип заключается в том, что отдельные по своим функциям устройства выполняются в виде отдельных модулей.

Принцип открытой архитектуры означает, что конструкторы ЭВМ предоставляют информацию о том, как разрабатывать устройства для нового компьютера.

Современные компьютеры собирают из отдельных частей, как конструктор, причем устройства стараются выполнять в виде отдельных модулей, а их контроллеры — в виде плат.

Некоторые основные устройства (сама шина, основные контроллеры и т. д.) собирают в одном модуле — материнской плате. Остальные устройства подключаются к материнской плате через специальные разъемы.

Если какое-то устройство выходит из строя, то весь компьютер, как правило, не ремонтируется, а заменяется только сломанный модуль. Если нужно подключить новое устройство, то можно разработать новый модуль-контроллер и встроить его в уже существующую ЭВМ.

Многие современные устройства и контроллеры — почти компьютеры. Они содержат свои процессоры, оперативную память, хранят и выполняют небольшие программы. Только это специализированные компьютеры, например, для вывода сложных изображений на экран.

3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ   3.1 Типы программного обеспечения

Для обработки информации компьютеру требуется последовательность команд преобразования информации — программа.

Программы необходимы для функционирования ЭВМ. Без них компьютер не работает и абсолютно бесполезен.

Каждый процессор имеет свой набор команд, т. е. множество операций, которые он «умеет» выполнять. Эти операции записываются в двоичном коде и для выполнения должны находиться в оперативной памяти.

Для первых ЭВМ все программы писались в двоичном коде. Причем для решения каждой задачи такая программа составлялась и вводилась в память отдельно. После выполнения ее стирали и вводили новую.

Сейчас, когда память достаточно дешева и доступна, применяют другой подход. Программы для компьютеров не стирают после выполнения, а накапливают.

Набор программ, который разработан для компьютера, называют его программным обеспечением.

Программное обеспечение (ПО) можно разделить на классы: системное, прикладное, а также класс сред для разработки программ.

Системное программное обеспечение — программы, которые обеспечивают работу других программ. Они позволяют хранить библиотеку программ, находить нужные и запускать их на выполнение, а также распределять ресурсы между ними во время работы.

Прикладное программное обеспечение — программы, которые предназначены для решения конкретных прикладных задач: редактирования текста или графики, выполнения каких-то расчетов и т. д.

Среды для разработки программ — специальные программы, позволяющие создавать новые системные и прикладные программы.

Самая важная часть системного программного обеспечения собрана в комплексе программ, который называется операционной системой (ОС).

Операционная система выполняет следующие функции:

•    обеспечивает запуск программ;

•    распределяет ресурсы компьютера между программами во время работы;

•    предоставляет другим программам возможности работы с различными устройствами;

•    предоставляет средства организации интерфейса пользователя.

В состав современных операционных систем, как правило, входят несколько подсистем, основные из которых здесь перечислены:

•    подсистема управления процессами;

•    файловая подсистема;

•    драйверы — специальные программы, стандартизирующие работу с аппаратурой;

•    функции для организации взаимодействия программ с пользователем;

•    служба безопасности — разграничения прав доступа.

Самые распространенные в настоящее время операционные системы — системы Windows фирмы Microsoft.

Большинство компьютерных программ взаимодействуют с пользователем.

Интерфейс — способ взаимодействия пользователя с компьютером, т. е. правила, по которым отдаются команды и показываются результаты их выполнения.

В настоящее время чаще всего используется оконно-графический интерфейс, когда работа организуется с помощью окон, изображенных на экране.