Вычислительные системы и программное обеспечение

Вычислительные системы и программное обеспечение

Введение

Основные понятия: числовая форма, двоичная система счисления, бит, байт, слово, файл, папка, персональный компьютер, программное обеспечение, операционная система, драйвер, интерфейс пользователя, Windows, рабочий стол, ярлык, окно приложения, программа Проводник, панель управления, Microsoft Office, окно документа, растровая графика, векторная графика, фрактальная графика.

Вычислительные системы и программное обеспечение являются важнейшими разделами информатики. Именно с их развитием появилась реальная возможность информатизации общества – условия его перехода в информационную стадию развития. Поэтому данный раздел настоящего учебного пособия посвящен:

вопросам развития вычислительных систем, в том числе персональных компьютеров, как основного средства доступа человека к информационным ресурсам (ИР) человечества;

программному обеспечению, в первую очередь операционным системам, интегрированным пакетам, системам программирования, создающим эффективную среду общения человека с ИР.

1.  Представление информации. Файлы, папки

Компьютер может обрабатывать информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, текст и др.) должна быть преобразована в числовую форму. Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц, иными словами, компьютеры работают в двоичной системе счисления.

Элементарной единицей информации, обрабатываемой компьютером, является бит. Бит может представлять два противоположных состояния –0 или 1 и является компьютерным представлением элементарного сигнала.

Последовательность 8-ми бит (байт) может закодировать 256 различных состояний. Именно байт достаточен для кодирования различных символов алфавита, цифр, специальных символов и является компьютерным представлением знака.

Последовательность байт (4 байта, 8 байт, переменное количество байт) позволяет хранить слова алфавита и является компьютерным представлением слова. Заметим, что числовые значения также являются словами синтаксиса информатики и кодируются последовательностью байт.

Байт - суть основная единица информации, с которой оперирует компьютер. Каждый байт в памяти компьютера имеет свой уникальный адрес. Последовательность цифровых, текстовых, логических знаков кодируется словами. Множества слов образуют записи, списки, массивы, двух и более мерные структуры, которые соотносятся с предложениями теоретической информатики.

Последовательность фильтров от физического до прагматического в цепочке «сигнал» - «знак» - «слово» - «данные» порождает полезную информацию, и как ее совершенную форму - знания.

Аналогично, в компьютере это преобразование выполняют программы, представляющие собой последовательности команд (инструкций), задающие какие действия и над какими данными необходимо выполнить компьютеру, в каком направлении продолжить вычислительный процесс в зависимости от полученных текущих результатов вычислений или введенных данных.

Хотя минимальной единицей информации обрабатываемой современным компьютером является бит, команды компьютера, как правило, работают не с отдельными битами, а с байтами. Байт является минимальной адресуемой единицей информации в памяти. Это означает, что адрес операнда команды указывает на байт, но не бит. 1024 байт составляют килобайт (Кбайт). 1024 Кбайта составляют мегабайт (Мбайт). 1024 Мбайта составляют гигабайт (Гбайт).

Информация на магнитных дисках хранится в файлах. Файл - это поименованная область на диске или другом машинном носителе. В файлах могут храниться тексты программ, документы, исполняемые программы и т.д.

Каждый файл на диске имеет свое обозначение, которое состоит из имени и расширения. Пример, command.com, где command – имя файла, com – расширение файла. Расширение определяет тип файла, пример, doc – файл WinWord, txt – текстовый файл, exe – исполняемый файл.

Имена файлов регистрируются на дисках в папках (каталогах, директориях). Папка – это специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, составляющих папку, сведения о размере файлов, времени их последнего обновления, их свойства и т.д. Все папки на самом деле являются файлами специального вида. Каждая папка имеет свое имя и может быть зарегистрирована в другой папке (родительская папка) или содержать другие папки. (наследники).

Полное имя файла имеет следующий вид:

[дисковод]:\[папка1]\[папка2]\ \[имя файла].

Например: D:\Novikov\MyDocuments\Met.doc

 

Персональные компьютеры

Сложилось определенная специализация компьютеров по их назначению. Супермощные компьютеры применяются решения сложных математических, военных задач. Сервера предназначены для работы в вычислительных сетях. Персональные компьютеры (что следует из названия) ориентированы на индивидуальную работу, рассчитаны широкий круг пользователей от профессиональных программистов до менеджеров, секретарей фирм, для которых персональный компьютер (ПК) стал таким же естественным помощником в бизнесе как факс и телефон.

Причины успеха ПК объясняются следующими основными факторами:

индивидуальное использование;

простота и доступность;

программное обеспечение, обеспечивающее поддержку всех сфер человеческой деятельности, ориентированное на конкретную область и конкретного специалиста;

скорость обработки информации, создающая эффект реального времени у пользователя;

надежность и простота подключения дополнительного оборудования.

Рассмотрим основные устройства, входящие в состав ПК:

Минимальный комплект ПК составляют:

системный блок;

монитор (дисплей);

клавиатура;

манипулятор «мышь».

Системный блок ПК содержит основные устройства компьютера: процессор и сопроцессор, оперативную память, системную шину. Идея ПК состоит в том, что для обеспечения гибкости и наращиваемости структуры все основные устройства компьютера подключены к общей информационной шине (системной шине) (рис.2).

Накопители на гибких дисках получили адреса А: и В:, первый накопитель на жестких дисках получил адрес С: и обычно используется для резиденции операционной системы, последующие накопители (разделы запоминающего пространства одного и того же накопителя, сетевые адреса) адресуются D:, E: и т.д.

Процессор. Самым главным элементом компьютера является микропроцессор – небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор может выполнять сотни различных операций и делает это со скоростью сотен миллионером операций в секунду.

Сопроцессор. Выполняет математические операции с высокой скоростью и резко повышает производительность компьютера при решении инженерных задач. В микропроцессорах Pentium сопроцессор встроен в микропроцессор.

Оперативная память. Обеспечивает оперативное хранение программ и данных. Имеет высокое быстродействие и прямую адресацию до одного байта. Хранит данные только пока компьютер включен.

Контроллеры и шина. Обеспечивают обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Для каждого внешнего устройства в компьютере имеется электронная схема, которая им управляет. Эта схема называется контроллером или адаптером. Все контроллеры и адаптеры взаимодействуют с процессором через системную магистраль передачи данных (шину). Единообразие подключения внешних устройств делает ПК весьма гибким по конфигурации.

Электронные платы. Основной платой ПК является системная плата (материнская). На ней устанавливаются микропроцессор, сопроцессор, оперативная память, шина. Контроллеры и адаптеры выполняются на отдельных платах, которые вставляются в унифицированные разъемы системной платы – слоты. Таким образом, наличие свободных слотов позволяет подключать дополнительные устройства. Также просто решается проблема совершенствования компьютера. Например, для замены устаревшего адаптера монитора на новый достаточно заменить соответствующий контроллер в слоте.

Накопители на дискетах. Обычно ПК содержит один дисковод для дискет 3,5 дюйма емкостью 1,4 Мбайта (диск А:). Возможна установка второго накопителя для дискет размером 5,25 дюйма, емкостью 360 и 1,2 Мбайта (диск В:).

Накопители на жестких дисках. Обычно ПК содержит один дисковод на жестких дисках, который разбивается на несколько разделов С:, D:,E: и т.д. Скорость работы диска характеризуется двумя основными параметрами:

временем доступа к данным;

скоростью чтения и записи данных.

Время доступа к данным это среднее время, которое компьютер тратит на поиск нужного участка на диске. Заметим, что это время складывается из времени. Затрачиваемого самим дисководом, а также контролером, шиной, микропроцессором.

Первый раздел С: жесткого диска как правило используется для хранения программ операционной системы (ОС). При включении питания в процедуре начальной загрузки микропроцессор в поиске программ ОС всегда сначала обращается к гибкому диску А:, и если не обнаруживает там дискеты, к диску С.

Мониторы. Предназначены для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают монохромными и цветными, могут работать в текстовом и графическом режимах.

В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на 25 строк и 80 столбцов.

В графическом режиме экран монитора имеет точечную (пиксельную) структуру, с 1024 на 768 точек на экране (возможен режим 800 на 600).

Связующим звеном между монитором и процессором является видеопамять адаптера монитора, в которой для каждой точки (пиксела) экрана хранится цвети яркость. Схематично процесс развертывания изображения на экране монитора можно представить следующим образом. Монитор непрерывно сканирует видеопамять видеоадаптера (аналог телевизионной развертке) и выводит изображение на экран не занимая время процессора и оперативной памяти на эти операции. При необходимости процессор прерывает этот процесс и изменяет содержимое некоторой части видеопамяти (частичное изменение изображения). Тем самым обеспечивается как эффективное использование процессора, оперативной памяти, так и практически незаметное для пользователя мерцание экрана при записи в видеопамять.

Клавиатура. Средство ввода информации. Содержит группу клавиш для ввода управляющей информации – функциональные клавиши, и собственно информационные клавиши. Функциональное назначение наиболее используемых функциональных клавиш:

Shift – временное на момент удержания клавиши переключение с прописных букв на заглавные;

Caps Lock – переключение с прописных букв на заглавные;

Enter –завершение ввода фрагмента, перевод строки;

BackSpace – удаление символа) слева от курсора (перемещение курсора влево на одну позицию);

Del – удаление символа справа от курсора;

Ins – переключение с режима вставки символов на режим замещения символов при вводе и обратно;

Esc – отмена управляющего действия, выход из некоторой ситуации.

Управление курсором , перемещение по текущей строке Home (начало) End(конец), перемещение по странице (абзацу) PgUp вверх, PgDn вниз.

Функциональное назначение наиболее используемых функциональных клавиш и их комбинаций:

Ctrl-Alt-Del – вызывает процедуру начальной загрузки компьютера;

Ctrl-Shift Ctrl-Alt – переключение на русский (английский) алфавит;

Ctrl-Break – прерывание выполнения задачи.

Принтеры. Предназначены для вывода информации на бумажные носители.

Матричные принтеры наиболее простые и дешевые. Главный элемент – печатающая головка, содержащая матрицу тонких металлических стержней (от 9 до 48). Стержни выдвигаются из головки в соответствии с печатаемым знаком. Головка движется вдоль печатаемой строки и в нужной позиции ударяет по бумаге через красящую ленту, печатая необходимый знак. Средняя скорость печати 30 секунд на страницу (текст, символы) и до 5 минут при печати графики..

Струйные принтеры. В этих принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выдуваемых через микросопла на бумагу. Обеспечивают лучшее в сравнении с матричными качество печати. Особенно удобны при цветной печати. Разрешающая способность – до 600 точек на дюйм. Скорость печати соизмерима со скоростью матричных принтеров.

Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее качество печати. В этих принтерах для печати используется принцип ксерографии: изображение переносится на бумагу со специального барабана, к которому электрически притягиваются частички краски. Барабан электризуется с помощью лазера в соответствии с печатаемым изображением. Разрешающая способность может превышать 600 точек на дюйм. Скорость печати 5 секунд на страницу вне зависимости от вида изображения. Заметим, что лазерный принтер содержит внутреннюю память для хранения загружаемых в принтер шрифтов, символов, а также, изображений.

Устройства для чтения компакт-дисков (CD-ROM). Информация на компакт-дисках кодируется посредством чередования отражающих и не отражающих свет участков на поверхности (подложке) диска. Подложка выполняется из золота, а изображение наносится лучем лазера. Прозрачное покрытие защищает подложку от механических повреждений.

Скорость считывания информации с CD дисков значительно ниже, чем с жестких дисков. Однако в силу надежности и способности хранить500-600 М байт информации они нашли очень широкое распространение для хранения эталонов пакетов системных программ, информационных и мультимедиа энциклопедий и т.д.

Диски CD-ROM позволяют производить только считывание информации.

Их модификация CD-R (recordable)позволяет перезаписывать информацию.

Магнитооптические диски. Сочетают преимущества магнитной и оптической технологий: информация хранится на магнитном носителе, защищенном прозрачной пленкой. Чтение и запись осуществляются лучом лазера. Средняя емкость магнитооптической дискеты 256 Мбайт, а размеры как у обычной 3.5 дюймовой дискеты.

Мышь. Используется для работы с графическим экраном практически всех приложений и системных программ. Обычно одно нажатие (click) на левую кнопку мыши позволяет выделить объект на экране. Два последовательных быстрых нажатия вызывают объект на выполнение. Правая кнопка мыши вызывает мини меню сервиса, которое позволяет выполнять типовые операции на выделенном объекте (копирование, удаление, вывод свойств объекта и т.д..

Модем. Устройство, обеспечивающее обмен с другими компьютерами через телефонную сеть. Характеризуются скоростью передачи данных (14.4 и более бод в секунду (1 бод=1 бит), а также средствами исправления ошибок (стандарты V42bis или MNP). Факс-модем кроме всех возможностей обычного модема позволяет компьютеру обмениваться факсимильными изображениями с обычными офисными факсами (как передавать, так и принимать изображения)

Графопостроитель (плоттер). Обеспечивает вывод крупноформатных чертежей. Плоттеры бывают барабанного типа (работают с рулоном бумаги), или планшетного типа (лист бумаги и планшетное перо). Обычно используются в системах автоматизированного проектирования для вывода конструкторской и проектной документации.

Сканер. Считывает графическую и текстовую информацию в компьютер. При вводе текстов сервисные программы позволяют распознать текст и преобразовать его в стандартный компактный текстовый формат. Сканеры отличаются разрешающей способностью, форматом сканируемого изображения, количеством воспринимаемых цветов.

Аудиоплата. Вместе с колонками и микрофоном обеспечивает ввод – вывод звука. Специальные программы позволяют редактировать звуковые (речевые) сигналы.

Трекбол. Встроенный манипулятор в форме шара, выполняющий в переносных персональных компьютерах роль мыши.

Сетевой адаптер. Позволяет подключать компьютер в сеть. Обеспечивает доступ к данным и программам других компьютеров сети.

Программное обеспечение

Программное обеспечение (ПО) современных персональных компьютеров включает как важнейшие составные части:

системное ПО, основная составляющая которого – операционная система (ОС);

инструментальные системы (системы программирования), основывающиеся на языках программирования;

прикладное ПО, в состав которого входят интегрированные пакеты и пакеты прикладных программ.

Число разновидностей системных программ велико, рассмотрим лишь некоторые из них.

Операционная система. Операционная система – программа, которая загружается при включении компьютера. Она осуществляет диалог с пользователем, управление компьютером, его ресурсами (оперативной памятью, местом на дисках и т.д.), запускает другие (прикладные) программы на выполнение. Операционная система обеспечивает пользователю удобный способ общения (интерфейс) с устройствами компьютера. В настоящем учебном пособии рассматривается ОС Windows.

Драйверы. Важным классом системных программ являются программы-драйверы, обеспечивающие подключение к компьютеру внешних устройств (клавиатура, жесткие диски, мышь и т.д.) и их управление.

Вспомогательные программы. К вспомогательным программам можно отнести:

программы-архиваторы, которые позволяют за счет применения специальных методов «упаковки» информации сжимать информацию на дисках, т.е. создавать копии нескольких файлов меньшего размера;

антивирусные программы, предназначенные для предотвращения заражения компьютерным вирусом и ликвидации последствия заражения;

коммуникационные программы, предназначенные для организации обмена информацией между компьютерами;

программы для управления памятью, обеспечивающие гибкое использование опреативной памяти компьютера;

программы для оптимизации дисков, обеспечивающие быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещений данных на диске и т.д.

Современные системы программирования для персональных компьютеров предоставляют пользователю мощные и удобные средства для разработки программ. В них входят:

компилятор, преобразующий программу на язык машинных кодов;

библиотека подпрограмм, которыми могут пользоваться программисты;

объектно-ориентированная среда разработки программ;

вспомогательные программы, например отладчики.

Для персональных компьютеров разработаны и используются сотни тысяч различных прикладных программ. В качестве примера приведены лишь некоторые из них.

Редакторы текстов и издательские системы предоставляют возможность подготавливать документы на компьютере (Microsoft Word).

Табличные процессоры обеспечивают работу с большими таблицами чисел (Microsoft Excel).

Системы управления базами данных (СУБД) позволяют управлять большими информационными массивами – базами данных (Microsoft Access, Microsoft SQL Server).

Графические редакторы позволяют создавать и редактировать картинки на экране компьютера (Paint, PhotoShop, Corell Draw).

Системы автомптизтрованного проектирования (САПР) позволяют осуществлять черчение и конструирование различных мехинизмов с помощью компьютера (AutoCad).

В настоящем учебном пособии рассматривается интегрированный пакет Microsoft Office.