Предисловие

 

Материя, энергия и информация представляют собой базовые сущности приро­ды, это «три кита», на которых стоит мироздание. И если роль материи и энергии в существовании человеческого общества и Вселенной в целом была осознана достаточно давно, то роль информации в живой и неживой природе только-толь­ко начинают понимать.                 

Математика — это общий инструмент, с помощью которого человек изучает, осваи­вает и ставит себе на службу материю, энергию и информацию. Развитие математи­ки привело к тому, что человек научился строить здания для жилья и корабли, а также осуществлять морские путешествия. Инженерные расчеты, которые не­возможно выполнить без математики, использовались и используются для соз­дания станков, автомобилей, самолетов. Без математических методов физики и хи­мики не смогли бы поставить на службу человеку различные источники энергии. Историки, археологи, лингвисты не смогли бы расшифровать древние языки и ос­мыслить ход человеческой истории. Радио, телевидение, все современные средст­ва связи — все это, в конце концов, результат применения математических методов.

Математика — очень древняя наука, ее возраст исчисляется тысячелетиями, в то время как информатике, которая изучает способы и средства работы с информа­цией, всего несколько десятков лет. Тем не менее бурное развитие информати­ки во второй половине XX в., особенно появление персональных компьютеров и глобальной сети Интернет, за очень короткий период существенно изменили как человеческое общество в целом, так и жизнь каждого человека. Человек по­лучил в свои руки мощнейший инструмент не только для выполнения достаточ­но скучных, по мнению многих людей, математических вычислений. Компьютер упрощает подготовку текстов, издание книг и журналов, разработку чертежей различных изделий. Это помощник врача, юриста, филолога, историка и даже домашней хозяйки. Это умелый ассистент композитора, художника, архитек­тора. Это домашний центр развлечений не только для детей, но и для взрослых. И наконец, это средство текстовой, звуковой и видеосвязи между отдельными людьми и организациями, это способ обмена новостями между группами связанных общими интересами людей, которые разделены тысячами километров, граница­ми, морями и континентами, это практически мгновенный доступ к общемиро­вым источникам информации как для специалистов, так и для любого заинтере­сованного человека.

Однако современные информационные технологии — это не безусловное благо. Опасность для человеческой психики и общества в целом, таящаяся в почти неог­раниченном доступе к информации (предоставленном людям в связи с появлени­ем как самой сети Интернет, так и простых в использовании средств обращения к ресурсам сети), тяжелейшие последствия, к которым этот феномен может при­вести, еще совершенно не изучены. Впрочем, эта ситуация характерна почти для любого революционного технологического открытия — изобретения пороха, овла­дения термоядерной энергией и т. д. Они приносят человечеству пользу, но могут привести к последствиям, угрожающим существованию человеческого общества.

Любой образованный человек, тем более специалист высшей квалификации, вне зависимости от его конкретной естественно-научной или гуманитарной специаль­ности, должен иметь представление как о математике, так и об информатике, о предметах этих наук, их методах, средствах, возможностях. В этом состоит общекультурный, мировоззренческий смысл включения предмета «Математика и ин­форматика» в учебные планы всех гуманитарных специальностей высшей школы.

Прагматический аспект изучения данной дисциплины состоит в том, что для эф­фективного применения математических методов и современных информационных технологий в своей деятельности специалист должен уметь отбирать из пред­лагаемых математикой и информатикой возможностей наиболее подходящие инструменты решения стоящих перед ним конкретных задач. При возникнове­нии необходимости в решении какой-либо нестандартной задачи по обработке информации каждый специалист должен суметь сформулировать и поставить задачу перед профессиональным математиком или программистом и найти с ними общий язык в процессе ее решения. Кроме того, любой современный человек обя­зан иметь элементарные навыки работы с компьютером. К ним относятся: уме­ние включить компьютер, запустить программу, скопировать документ, отфор­матировать гибкий диск и т. д., работая в среде операционной системы Windows или с оболочкой типа Norton Commander. Любой специалист высшей квалифи­кации должен уметь набирать, редактировать и печать текст документа в одном из текстовых редакторов. Он должен освоить работу с пакетами программ, ис­пользуемых в той или иной области деятельности, например с различного рода библиографическими или издательскими системами, базами данных правового характера, электронными переводчиками. Кроме того, специалист должен уметь уверенно пользоваться основными информационными услугами, предоставляе­мыми такими сетями, как Интернет.

В пособии рассматривается круг вопросов, связанных с информатикой, — второй составной частью дисциплины. В этой части содержание пособия соответствует требованиям государственного образовательного стандарта для гуманитарных специальностей высшего профессионального образования и примерной программе дисциплины «Математика и информатика», утвержденной Министерством образования Российской Федерации. Изложение учебного материала в этом издании пособия привязано к операционной системе Windows XP и офисному пакету MS Office XP.

Учебное пособие написано на основании опыта преподавания информатики в Са­марском государственном университете. Автор выражает искреннюю признатель­ность преподавателям кафедры «Информатика и вычислительная математика» Самарского университета С. К. Гребенникову, Е. В. Рогачевой, И. А. Шведовой, Л. К. Ширяевой, методические материалы и указания которых частично ис­пользованы в пособии. Кроме того, хотелось бы поблагодарить А. С. Луканова, Е. В. Рогачеву и В. М. Синикова за высказанные ими ценные замечания по со­держанию предыдущих изданий этого пособия.

В тексте пособия приняты следующие условные обозначения.

Новые понятия, термины в предложениях, в которых они встречаются впервые, а также в предложениях, в которых эти термины определены, выделены полу­жирным шрифтом.

Курсивом выделяются наиболее важные утверждения, замечания или фрагмен­ты текста.

 

ВНИМАНИЕ

Так отмечены предложения, в которых дается определение или объяснение каких-либо понятий, терминов или предложения, которые содержат указания, требующие особого внимания.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Этот способ выделения применяется для текста, который содержит подробности для желающих более детально изучить тот или иной вопрос, но не являющийся обязательным для изучения.

 

СОВЕТ

Кроме того, в книге выделены некоторые советы пользователям.

 

От издательства

 

Ваши замечания, предложения и вопросы отправляйте по адресу электронной почты comp@piter.com (издательство «Питер»). Мы будем рады узнать ваше мне­ние! Подробную информацию о наших книгах вы найдете на веб-сайте издатель­ства: www.piter.com.

 

Глава 1

Основы информатики

 

В информатике используется множество появившихся относительно недавно понятий и терминов, поэтому изучение этого курса целесообразно начать с выяс­нения смысла основных, первичных понятий и их взаимосвязи.

 

1.1. Информация и общественное развитие

 

Внимательный анализ особенностей основных этапов развития человеческого общества показывает существенную зависимость определяющих характеристик этих этапов от средств и способов, с помощью которых человек хранит, обраба­тывает и передает информацию. Важнейшее значение при этом имеет скорость обработки и, в особенности, скорость передачи информации. В данном разделе кратко обсуждается эта принципиальная взаимосвязь.

 

1.1.1. Информация и живая природа

 

Способность принимать, передавать, запоминать и некоторым образом обраба­тывать разнообразную информацию является, по-видимому, одним из самых главных признаков живого мира. В той или иной степени это свойство присуще животным, растениям и даже бактериям. В самом деле, и растения, и животные так или иначе реагируют на температуру окружающей среды и отдельных предме­тов. С помощью запаха животные находят пищу, а растения привлекают к себе, скажем, пчел для опыления. Получив из внешней среды какую-либо информацию, живой организм определенным образом обрабатывает ее и на основании резуль­татов обработки соответственно реагирует на полученные сведения. Например, учуяв запах пищи, животное начинает ее поиск, а если это запах более сильно­го соперника, то оно пытается уклониться от встречи. Информация не толькопоступает в организм извне, но ,и передается живым организмом во внешнюю среду. Так, с помощью звука или характерных поз животные дают понять о своих намерениях. Обмениваясь различного рода сигналами, пчелы передают друг другу информацию об опасности или о найденном месте для сбора нектара. Наиболее важные сведения живые организмы запоминают, и эта «хранящаяся» в организ­ме информация активно используется в процессе обработки вновь поступающей информации. Например, найдя дорогу к водопою, животные ее запоминают и затем неоднократно по ней проходят. Следовательно, с помощью приема, передачи, хранения и обработки различного рода информационных потоков из внешней среды любой отдельно взятый организм обеспечивает свою жизнедеятельность. В связи с этим необходимо отметить, что информация для живого организма не менее важна, чем пища, с помощью которой в организм поступает необходимая для его жизнедеятельности энергия.

 

ВНИМАНИЕ

Прием, передача, обработка и хранение информации являются одними из самых важных сторон жизнедеятельности биологических организмов.

 

Человек так же, как и любой другой живой организм, получает информацию из окружающей среды с помощью своих органов чувств, причем физическая приро­да носителей информации различна.

 

 

ВНИМАНИЕ

Носителем информации считается любая материальная среда, служащая для ее хранения или передачи.

 

Львиную долю информации из внешней среды человек получает с помощью электромагнитных колебаний, органом приема которых являются глаза. Кроме того, принимаются акустические колебания воздушной среды (орган приема — уши), температура окружающей среды (терморецепторы кожи), молекулы вещест­ва, создающие у человека ощущения запаха и вкуса (нос и язык), и т. д. Получив информацию, человек определенным образом обрабатывает и, возможно, запо­минает или как-либо сохраняет ее. Для этого человек использовал и использует самые различные носители и способы хранения информации. В частности, мож­но упомянуть мозг человека (память), традиционные бумажные носители — от записной книжки до личного дела в отделе кадров и научных публикаций в жур­налах, кинопленку и фотографию, магнитофонные записи, видеозаписи и многие другие носители и способы. В зависимости от полученной информации и преды­дущего опыта (от сохраненной ранее информации) человек предпринимает или не предпринимает те или иные действия.

 

ВНИМАНИЕ

Человек на протяжении всей своей жизни постоянно, ежечасно, ежеминутно сталкива­ется с необходимостью принимать, передавать, обрабатывать и хранить информацию.

 

1.1.2.      Речь

 

На ранних этапах развития человеческого общества информация играла в жизни отдельного человека и групп первобытных людей ту же роль, что и во всей живой природе. Однако по мере усложнения взаимодействия между людьми, по мере повышения сложности решаемых задач человеку приходилось формировать все более сложные сигналы для передачи и обработки все более сложной информации. По-видимому, возникновение речи по времени следует соотнести с появлением первых орудий производства, таких, например, как каменный топор и другие простейшие орудия труда. Так, около миллиона лет тому назад начала формиро­ваться речь человека — самый совершенный в живой природе способ обмена ин­формацией.

 

ВНИМАНИЕ

Под обменом информацией понимается ее прием или передача в тех случаях, когда безразлично, о чем именно идет речь.

 

Речь первобытного человека представляла собой не только форму сообщений, с помощью которых люди обменивались между собой информацией. Она стала способом сохранения и передачи полученных людьми знаний.

 

ВНИМАНИЕ

Знания представляют собой осознанные и запомненные людьми свойства предме­тов, явлений и связей между ними, а также способы выполнения тех или иных дей­ствий для достижения нужных результатов.

 

Знания передавались от поколения к поколению в виде устных рассказов, и та­ким образом шел процесс их накопления. Но этот способ был весьма несовер­шенным, так как человек мог погибнуть на охоте, на войне или просто забыть даже очень важные сведения.

Таким образом, можно сделать следующий вывод: носителем полезной для чело­века информации на рассматриваемом этапе общественного развития являлся мозг человека, он же использовался и для ее обработки. А обмен информацией осуще­ствлялся не только простейшими звуками, мимикой, жестами, телодвижениями, но и с помощью речи, появление которой представляло собой переход на бо­лее совершенный уровень работы с информацией и позволило человеку, наряду с использованием орудий труда, стать человеком в полном смысле этого слова.

 

1.1.3.  Письменность

 

Вступление человечества в эпоху письменности можно связать с первыми на­скальными рисунками, выполненными почти 30 тысячелетий назад. Фактически, это означает, что был найден самый первый, более надежный по сравнению с че­ловеческим мозгом, способ долговременного хранения и передачи информации. Именно тогда появились и первые инструменты для ее «записи» на носитель. К этому же времени, скорее всего, можно отнести и начало использования паль­цев рук и камешков для выполнения простейших вычислений. Итак, появились первые приспособления для хранения и обработки информации, поскольку и на­скальные рисунки, и камешки для счета в принципе представляют собой инфор­мационные образы неких реальных объектов. С этого времени начинается отсчет ручного этапа в развитии средств обработки информации. Заметим, что между по­явлением первых орудий материального труда и первых приспособлений для дол­говременной фиксации информации и ее обработки прошло около миллиона лет.

За 30 тысяч лет, прошедших со времени появления письменности, человечество сумело найти и применить на практике немало различных носителей информа­ции — камень, кость, дерево, глину, папирус, бумагу. В то же время, несмотря на существенное усовершенствование орудий материального труда, количество новых приспособлений для обработки информации практически оставалось на одном и том же уровне. Пальцевый счет, камешки, насечки, узелковый счет в доколумбовой Америке, абак — глиняная пластинка с желобками, в которых размещались камешки, русские счеты и некоторые другие аналогичные приспособления — вот, пожалуй, и все, чем может по­хвастаться человечество за этот период. Тем не менее появление письменности можно считать историче­ски первым этапом развития информационных тех­нологий, который существенно ускорил развитие человеческого общества.

 

1.1.4.Книгопечатание

 

Изобретение в середине XV века Иоганном Гутен­бергом печатного станка (рис. 1.1), который позволял тиражировать знания на долговременном бумаж­ном носителе информации, стало началом эры бу­мажной информатики и явилось мощнейшим ката­лизатором промышленной революции XVIII века.

Знания, тиражируемые и широко распространяемые по всему миру, оказывали значительное влияние на разработку новых устройств, технологических прие­мов и т. д. Начала раскручиваться спираль научно-технического прогресса.

 

1.1.5. Механизация и автоматизация обработки информации

 

Почти через 200 лет после появления печатного станка были разработаны пер­вые устройства для механической обработки числовой информации, наиболее простой и в то же время наиболее важной для того периода разновидности ин­формации. С этого времени начинается механический этап в развитии средств обработки информации. Основное отличие этого этапа состоит в том, что вычис­ления осуществляются путем механических перемещений различных узлов — рычагов, валиков различной формы, зубчатых колес и т. д.

Первой известной попыткой построения такого механизма является относя­щийся примерно к 1500 г. эскиз суммирующего устройства Леонардо да Винчи. К сожалению, в то время построить по этому эскизу реальное счетное устройство не удалось. А первое действующее устройство для выполнения сложения было создано только в 1623 г. Вильгельмом Шиккардом. Он называл свое изобрете­ние «суммирующими часами», так как оно было создано (к сожалению, в еди­ничном экземпляре) на базе механических часов. Блез Паскаль в 1641-1645 гг. разработал суммирующую машину, которая получила широкую известность и была выпущена целой серией в 50 машин, из которых 8 экземпляров дошло до наших дней. Машина Паскаля могла выполнять только операции сложения и вычита­ния, а Готфриду Лейбницу в 1671-1674 гг. удалось построить арифмометр — машину для выполнения всех четырех арифметических операций (рис. 1.2, а).

Кстати, упомянутые ранее абак и счеты, если говорить более точно, не являются устройствами для обработки информации в полном смысле этого термина. Это устройства только для хранения числовой информации в процессе ее обработки, поскольку арифметические операции над числами все-таки производятся чело­веком. В то время как суммирующую машину Паскаля и арифмометр Лейбница уже можно считать своеобразными «механическими вычислителями», которые выполняли целый ряд вычислительных действий без вмешательства человека.

Так почти 350 лет тому назад появились предшественники современных мик­рокалькуляторов. Вся эта группа средств обработки информации, включаю­щая в себя и «суммирующие часы» Шиккарда, и машину Паскаля, и широко распространенные в конце XIX и начале XX вв. арифмометры В. Т. Однера (рис. 1.2, б и в), и нынешние микрокалькуляторы, отличается тем, что человек непосредственно участвует в вычислительном процессе на всех его этапах. В ча­стности, человек не только определяет последовательность выполняемых дей­ствий, но и осуществляет прямое управление вычислительными действиями.

В ходе промышленной революции появились и стали широко использоваться бумажные ленты с отверстиями — перфоленты и листы из плотного картона с от­верстиями — перфокарты (рис. 1.3), которые являются разновидностью долговре­менных носителей информации. С помощью определенных комбинаций отверстий на перфолентах и перфокартах задавался конкретный план работы различных устройств. Примером такого рода устройств является автоматический ткацкий станок, изобретенный во Франции в 1801-1808 гг. Жозефом Жаккардом. Работой этого станка управляла перфокарта с заранее нанесенными на нее отверстиями. Наличие или отсутствие отверстия в перфокарте заставляло подниматься или опускаться нить при одном ходе челнока. Станок Жаккарда был первым массо­вым промышленным устройством, автоматически работающим по заданному плану. Заметим, что план выполнения действий является особого рода информа­цией, использование которой позволяет достичь заданной цели.

Таким образом, в частном случае производства роль человека свелась к со­ставлению плана выполнения нужных действий, а сами действия уже выполня­лись без участия человека — автоматически. Естественным образом должна была возникнуть мысль о том, что машине можно поручить не только выпол­нение действий по изготовлению тканей. По-видимому, можно попытаться по­ручить ей и выполнение некоторых вычислений, которые представляли собой наиболее важную в то время разновидность действий по обработке информа­ции. Такая мысль возникла у английского математика и изобретателя спидомет­ра Чарльза Бэббиджа в начале XIX в. В 1822 г. он опубликовал статью с описа­нием так называемой «разностной» машины, предназначенной для вычисления и печати таблиц математических функций, используемых в морской навигации. Разностная машина, которая «умела» выполнять только операции сложения и вы­читания при решении однотипных задач, была построена и успешно работала. Затем Бэббидж начал работать над проектом машины, которую впоследствии стали называть «аналитической». По замыслу Бэббиджа, эта машина должна была «уметь» самостоятельно решать произвольные задачи с привлечением всех ариф­метических операций. Эта идея полностью исключала участие человека в вычис­лительном процессе, сводя его роль к подготовке необходимых числовых данных и, как и в случае с ткацким станком Жаккарда, составлению программы, то есть плана выполнения вычислений, зафиксированного в некоторой специальной форме.

 

ВНИМАНИЕ

Программа представляет собой план выполнения действий, записанный в специ­альной, понятной исполнителю действий форме.

 

Собственно процесс обработки информации должен был выполняться автомати­чески по заданной программе. Первый эскиз этой машины появился в 1834 г. Однако, несмотря на несколько десятилетий работы и затраченные усилия, Бэббиджу не удалось реализовать свою идею, в основном из-за несовершенства матери­альной и технической базы того периода. Хотя аналитическая машина Бэббиджа имелась только в виде проекта, для нее была составлена первая в мире программа. В 1843 г. Ада Лавлейс, дочь английского поэта Джорджа Байрона, опубликова­ла работу, в которой были заложены основы современного программирования. Ею же была составлена программа вычисления так называемых чисел Фибонач­чи. Проект машины Бэббиджа, опередивший свое время, содержал все основные компоненты вычислительных машин, появившихся почти столетие спустя.

В связи с появлением электрических устройств и началом развития электротехни­ки в конце XIX в. начался следующий, электромеханический этап в развитии средств обработки информации. Отличительной чертой этого этапа является со­четание при выполнении вычислительных операций механических перемещений с работой электрических устройств. Первым такого рода устройством считается табулятор — машина, автоматизирующая выполнение простых вычислений на основе данных, нанесенных в виде пробивок на перфокарты. При этом какие-ли­бо программы вычислений в табуляторах не использовались, а вычислительные операции, как правило, сводились к считыванию с перфокарт больших массивов числовых данных и их последующему суммированию. Первый табулятор был создан Германом Холлеритом в 1887 г. Основу этого устройства составляли простейшие электромеханические реле. Табуляторы широко использовались для выполнения расчетов статистического характера, например для проведения пе­реписи населения в конце XIX века в США, Канаде, России и некоторых других странах. Для производства табуляторов Г. Холлерит в 1897 г. организовал фир­му Tabulating Machine Company, которая впоследствии преобразовалась в фирму IBM (International Business Machines corporation) — признанного и широко из­вестного в настоящее время мирового лидера в сфере компьютерного производства. Различного рода табуляторы весьма эффективно использовались во всем мире для самых разных расчетов вплоть до середины XX в.

В 30-х годах XX в. в разных странах начались разработки принципиально иных устройств — программно-управляемых релейных вычислительных машин. Счи­тается, что первая в мире программно-управляемая электромеханическая вы­числительная машина под названием Z-3 была создана Конрадом Цузе в Гер­мании в 1939-1941 гг. Эта машина могла «помнить» до 64 чисел одновременно и выполняла сложение двух чисел за 0,3 с, а умножение — за 5 с. Однако воз­можности и этой, и созданной после войны более совершенной модели Z-4 по составлению программ были довольно скромными. В частности, не было воз­можности осуществлять программный выбор одного из нескольких возможных вариантов действий. Это не позволяет считать Z-3 универсальной вычислитель­ной машиной.

Полностью идеи Чарльза Бэббиджа впервые были реализованы в машине «Марк-1» (рис. 1.4, а), разработанной в фирме IBM под руководством Говарда Айкена в 1937-1944 гг. Эта машина считается первой в мире программно-управляемой универсальной вычислительной машиной. Вместе с тем устройство для выполнения арифметических действий в машине «Марк-1» было чисто механическим. Затем, в 1947 г., была построена полностью релейная (то есть электромеханическая) машина «Марк-2». Она выполняла одну операцию умножения за 0,7 с.

 

1.1.6. Информационный взрыв

 

Ускоренное развитие производства естественным образом сопровождалось со­ответствующим увеличением и обновлением суммы знаний, накопленных чело­вечеством. Д. Мартин, один из крупнейших специалистов в области обработки информации, утверждал, что «...к 1800 году общая сумма человеческих знаний удваивалась каждые 50 лет, к 1950 г. она удваивалась каждые 10 лет, а к 1970 г. — каждые 5 лет». Некоторые аналитики считают, что в настоящее время этот пери­од составляет всего 2-3 года. Лавинообразный рост информационных пото­ков, начавшийся в XIX в., к середине XX в. привел к тому, что люди потеряли возможность ориентироваться в море информации и эффективно ее обрабатывать, поскольку даже на простой поиск нужной информации приходилось затрачивать весьма значительные усилия. И это несмотря на то что значительная доля людей уже оказалась вовлеченной в трудовой процесс, непосредственно связанный с об­работкой информации. По данным ряда исследователей, к середине XX в. в ин­формационную сферу труда в США было вовлечено более 30 % трудоспособного населения (бухгалтеры, почтовые служащие, банковские работники и т. д.). Возникшая ситуация получила в свое время название «информационный взрыв». К концу XX в. основным предметом труда в общественном производстве промыш-ленно развитых стран стала информация. И тенденция перекачивания трудовых ресурсов из материальной сферы в сферу, так или иначе связанную с обработкой информации, неуклонно укрепляется во всем мире.

 

1.1.7. Появление компьютеров

 

Итак, к середине XX в. перед человечеством возникла проблема обуздания «раз­бушевавшейся» информационной стихии, когда информация становится не­доступной только потому, что ее чрезвычайно много и отыскать нужные данные очень и очень непросто. К этому же времени (как по заказу) оказались созданны­ми и технические условия для производства программно-управляемых вычисли­тельных машин, которые были реализованы в упоминавшихся выше электроме­ханических вычислительных машинах. Однако механические перемещения — неотъемлемая часть реализации вычислительных операций в механических и элек­тромеханических машинах — существенно ограничивали их быстродействие. Так, например, самая быстродействующая релейная машина РВМ-1, которая была построена в 50-х гг. XX в. в СССР под руководством Н. И. Бессонова, выполня­ла операцию умножения за 0,05 с, что соответствует выполнению 20 операций умножения за одну секунду. То есть РВМ-1 была только в 14 раз быстрее, чем машина «Марк-2».

 

ВНИМАНИЕ

Важнейшей характеристикой компьютера является его быстродействие (скорость вычислений, производительность, мощность), которое определяется как количест­во арифметических операций, выполняемых компьютером за одну секунду.

 

Такой уровень быстродействия не удовлетворял практическим потребностям даже того времени. Только полностью электронные, то есть исключающие ме­ханические перемещения в процессе вычислений и, следовательно, безынерци­онные, устройства могли решить проблему быстродействия вычислительных машин.

Начало важнейшего на сегодняшний день электронного этапа в развитии средств обработки информации относится к 40-м гг. XX в. В 1937-1942 гг. в США под руководством Дж. Атанасова и К. Берри была сконструирована первая полно­стью электронная машина ABC (Atanasoff— Berry Computer), содержавшая около 600 электронных ламп накаливания. Но эта машина могла выполнять только операции сложения и вычитания и, к сожалению, так и не стала действующей. Первой в мире работающей электронной цифровой машиной стал специализиро­ванный компьютер COLOSSUS, который с 1943 г. использовался англичанами для дешифровки радиосообщений, пересылаемых на немецкие подводные лодки.

А первая в полном смысле этого слова ЭВМ — программно-управляемая универ­сальная электронная вычислительная машина (соответствующий термин анг­лоязычного происхождения — компьютер) была разработана в 1943-1945 гг. в Пенсильванском университете США под руководством Д. Мочли и П. Эк-керта. Эта машина называлась ENIAC — Electronic Numerical Integrator And Computer — электронно-цифровой интегратор и вычислитель (рис. 1.4, б). Она весила 30 т, ее высота была 6 м, а площадь —120 м2. Машина состояла из 18 тысяч электронных ламп накаливания и выполняла примерно 5 тысяч арифметических операций в секунду (сравните с РВМ-1).

Программа работы машины ENIAC задавалась вручную с помощью механиче­ских переключателей и гибких кабелей со штекерами, вставляемыми в нужные разъемы. Поэтому любые изменения в программе требовали много сил и времени. Выдающийся математик Джон фон Нейман, анализируя работу первых компью­теров, пришел к выводу о необходимости хранения выполняющейся программы и обрабатываемых по этой программе данных внутри машины, в ее электронных схемах, а не вне нее — на перфокартах, перфолентах или разъемах со штекерами. Первой машиной с хранимой программой является компьютер EDSAC (Electronic Delay Storage Automatic Calculator — автоматический вычислитель с электрон­ной памятью на линиях задержки), построенный М. Уилксом в Великобрита­нии в 1949 г. С этой машины принято вести отсчет первого поколения компью­теров.

В нашей стране первые ЭВМ создавались примерно в тот же самый период. В 1947-1951 гг. под руководством академика С. А. Лебедева была выпущена первая советская вычислительная машина — МЭСМ (Малая электронно-счет­ная машина). Кроме того, выпускались машины «Стрела», «Минск», «Днепр», «Урал», БЭСМ (Большая электронно-счетная машина), М-2, «Мир» и неко­торые другие, разработанные под руководством крупных советских конструкто­ров и теоретиков И. С. Брука, М. А. Карцева, Б. И. Рамеева, В. М. Глушкова, Ю. А. Базилевского.

 

1.1.8. Дальнейшее развитие средств обработки информации

 

Первые вычислительные машины создавались в единичных экземплярах, они стоили очень дорого, занимали огромные площади и, ко всему прочему, были весьма ненадежны. Работать с этими машинами могли только профессионалы высочайшей квалификации. Просто для того, чтобы обслуживать машину, ре­монтировать ее при сбоях и т. д., требовался целый коллектив специалистов. Пер­вые компьютеры использовались в основном для выполнения математических вычислений при решении задач научно-технического характера в оборонной и некоторых других областях. Однако несмотря на все вышеперечисленные не­достатки, их применение для обработки информации оказалось весьма успешным.

По мере развития технологической базы машины уменьшались в размерах, ста­новились все более надежными и дешевыми. Накапливался опыт применения компьютеров в различных областях деятельности человека. Постепенно машины стали применять в коммерческой деятельности, метеорологии, лингвистике (для расшифровки надписей на древних языках) и в других областях, где можно было с успехом применять математический аппарат. Появились новые долговремен­ные носители информации, такие как магнитные ленты и барабаны, магнитные, оптические и другие диски, на которых научились хранить не только числовую, но и текстовую, звуковую, графическую информацию. Появились удобные сред­ства для организации взаимодействия человека и машины, такие как подобные телевизионным приемникам монохромные и цветные устройства для отобра­жения информации — дисплеи, компактные и надежные клавиатуры, служащие для первичного ввода информации и управления работой компьютера. Увели­чивались темпы выпуска машин. Так, в 1952-1953 гг. в мире производилось при­мерно 10 машин в год, а уже к 1965 г. производство возросло до 40 тысяч машин в год. Если в 1983 г. было продано 2 миллиона, то в 1994 г. — уже 100 миллионов персональных компьютеров. Широкое распространение получили компьютер­ные сети, представляющие собой объединение с помощью специальных средств нескольких (от двух до сотен миллионов и более) компьютеров. Такое объе­динение позволяет осуществлять оперативный обмен информацией между не­сколькими компьютерами, расположенными на значительных расстояниях друг от друга.

Все это создало предпосылки для резкого расширения сфер применения вычис­лительной техники и привело к тому, что в последней четверти XX в. создалась ситуация, когда хранить информацию на бумаге стало невыгодно — более удоб­ным и дешевым оказалось ее хранение на машинных носителях информации. Машинные носители обеспечили также чрезвычайно высокую плотность хране­ния информации.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

 

Так, например, в начале 90-х гг. XX в. фирма «Мацусита электрик» выпускала устройства для хранения информации со следующими характеристиками: одно устройство имело площадь 94 мм2 и состояло из 3 500 000 логических элементов, каждый из которых мог содержать 64 газетных страницы текста. А уже в 2002 г. компания «Хьюлетт Паккард» объявила о выпуске устройства, созданного на ос­нове нанотехнологий (нанометр равен одной миллиардной доле метра), которое способно хранить в 400 000 раз больше информации, чем упомянутое выше устрой­ство. Еще один пример. Если 100 компакт-дисков (в упаковке) разместить рядом друг с другом, то они займут на полке участок длиной около одного метра. Если со­держащийся на этих дисках текст напечатать в виде книг, то они займут примерно два километра книжных полок.

 

Все шире стали использовать такие технологии работы с информацией, при ко­торых она сразу попадает в компьютеры без предварительной фиксации на бума­ге. Кроме того, следует отметить, что на обмен информацией, зафиксированной на бумажном носителе, затрачивается теперь гораздо больше времени, чем при использовании машинных носителей. Это позволяет сделать вывод о вступлении человечества на рубеже XX-XXI вв. в эру безбумажных способов работы с ин­формацией.

Таким образом, разработка в середине XX в. устройств, которые способны без вмешательства человека осуществлять обработку информации, ознаменовала со­бой начало революционных изменений в этой области.

 

1.1.9. Персональный компьютер и Интернет

 

Наиболее революционные изменения в сфере обработки информации произош­ли после широкого внедрения в 80-х гг. в общественную жизнь персональных компьютеров (ПК), или персональных ЭВМ (ПЭВМ). Появление персональных компьютеров связано с микроминиатюризацией всех основных узлов и элемен­тов вычислительных машин. Персональный компьютер, многократно превосхо­дящий по своим возможностям и по своей вычислительной мощности первые вычислительные машины, теперь умещается на письменном столе и может ис­пользоваться специалистом индивидуально.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

 

Для более наглядного представления о масштабах миниатюризации первых вы­числительных «динозавров» часто используется следующее сравнение. Если бы легковой автомобиль можно было уменьшить в такой же пропорции, в которой уменьшились компьютеры от первых экземпляров до современных ПК, без нару­шения его функциональных возможностей, то легковой автомобиль стоил бы около двух долларов, весил 200 граммов и на одном литре бензина проезжал бы около двух миллионов километров.

 

Кроме беспрецедентного уменьшения в размерах и стоимости, произошли и другие немаловажные изменения. Персональные компьютеры очень надежны — они могут безотказно работать сутками, потребляя при этом очень мало энергии. Но, пожалуй, самым важным является то, что благодаря множеству заранее разработанных про­грамм созданы все возможности для использования вычислительных машин при решении задач обработки информации почти во всех областях человеческой деятель­ности. При этом специалисту в своей области знаний практически не приходится са­мому составлять программы и изучать для этого способы их составления. Ему дос­таточно освоить несколько не очень сложных приемов работы с машиной. Таких специалистов называют конечными пользователями, или просто пользователями.

 

ВНИМАНИЕ

 

Пользователем принято называть человека, использующего вычислительную тех­нику для получения нужной информации, для решения конкретной задачи в той или иной предметной области или в каких-либо иных целях.

 

Как и любые другие компьютеры, персональные машины могут объединять­ся в компьютерные сети, содержащие миллионы машин, которые могут быть размещены на всех континентах земного шара. Это позволяет людям, разделен­ным десятками тысяч километров, в считанные секунды обмениваться между собой информацией. Специалисты получают практически мгновенный доступ к мировым информационным центрам, не отходя от своего рабочего места. Появление в 90-х гг. XX в. удобных для конечного пользователя средств работы в компьютерных сетях привлекло сотни миллионов пользователей персональных компьютеров к возможностям сети Интернет — Всемирной компьютерной сети, которая к настоящему времени стала самым массовым и оперативным источни­ком информации, средством доступа к мировым хранилищам знаний и культур­ным центрам, средством развлечения и обучения, а также средством общения между людьми, находящимися в любых уголках земного шара. Интернет сегодня не знает границ между государствами, он, по сути дела, стал единым общечело­веческим информационным пространством.

Суммируя все вышесказанное, можно сделать следующий вывод. Основой ши­рочайшего внедрения компьютерной обработки информации во всем мире в кон­це XX в. стали:

□   сравнительно невысокая стоимость компьютеров;

□ высокая плотность и низкая стоимость хранения информации на машинных носителях;

□   высокая степень надежности машинной обработки и хранения информации;

□   высокая скорость машинной обработки информации;

□   простота использования машин для решения огромного количества практи­ческих задач;

□   практически мгновенный доступ к важнейшим мировым информационным ресурсам в компьютерных сетях и возможность обмена информацией между любыми подсоединенными к сети машинами.

 

1.1.10. Появление науки информатики

 

Таким образом, к исходу XX в. способы работы с информацией изменились принципиально, и следствием этого процесса можно считать возникновение ин­форматики — новой науки, новой сферы производства и новой сферы приложе­ния трудовых ресурсов. Однако от появления первых компьютеров до обособле­ния информатики как отдельной науки, со своим предметом и своими методами исследования, прошло еще почти 20 лет. Термин «информатика» в том смысле, в котором он сейчас используется, возник в начале 60-х гг. во французском языке (informatique). Английским эквивалентом считается словосочетание computer science. Слово «информатика» образовано из двух слов — «информация» и «автоматика». Следовательно, смысл этого слова должен был быть примерно таким: автоматическая работа с информацией. На самом деле в настоящее время речь где только лишь об «автоматизированной» работе с информацией, то есть о сочетании функций человека и технического устройства. Заметим, что термин «автоматический», вообще говоря, означает без участия человека.

 

ВНИМАНИЕ

 

Информатика — фундаментальная естественная наука о структуре и общих свойст­вах информации, а также об осуществляемой преимущественно с помощью автома­тизированных средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как отображение знаний и фактов, сведений, данных в различных областях челове­ческой деятельности. Это наука о средствах, методах и способах сбора, обмена, хра­нения и обработки информации.

 

В настоящее время в нашей стране, так же как и во всем мире, достаточно бурно протекают процессы компьютеризации и информатизации в большинстве сфер народного хозяйства.

 

ВНИМАНИЕ

 

Компьютеризацией называется процесс оснащения организаций, предприятий и рабочих мест отдельных специалистов различными средствами вычислительной техники, объединения отдельных машин в компьютерные сети, установки и освое­ния современных программных систем.

Информатизацией называется широкое внедрение современных информационных технологий в профессиональную деятельность специалистов различного профиля, в учебную, научно-исследовательскую, управленческую, административную дея­тельность, в быт и досуг человека.

Информационной технологией называется какая-либо конкретная система средств, методов и способов сбора, накопления, поиска, обработки, приема и передачи ин­формации.

 

Примером морально устаревшей информационной технологии1 является чисто бумажная технология, когда вся работа с информацией осуществляется на бума­ге или ее эквивалентах. Современные информационные технологии, в частности, подразумевают:

□   практически полный отказ от бумажных носителей информации, начиная с ре­гистрации первичной информации на машинных носителях;

□   доступность любой информации (кроме информации, доступ к которой огра­ничен законом) в любой точке земного шара и в любое время.

 

Многие специалисты считают, что человечество постепенно переходит из ин­дустриальной стадии своего развития в постиндустриальную, а точнее, в ин­формационную стадию, поскольку на современном этапе дальнейшее развитие науки, техники, экономики государства невозможно представить без широчай­шего использования последних достижений информатики. Да и жизнь отдельно взятого человека все больше оказывается связанной с информатикой. Инфор­мацию, информатизацию относят к одним из важнейших видов стратегических

национальных ресурсов, и по этим показателям, в частности, определяются эко­номическая и военная мощь государства.

 

Контрольные вопросы к разделу 1.1

 

1.   Какую роль играет информация в живой природе? Какие действия с инфор­мацией осуществляют живые организмы?

2.   Что понимается под носителем информации? Укажите традиционно исполь­зуемые человеком носители информации.

3.   Что называется знаниями? Укажите возможные способы хранения и переда­чи знаний.

4.   Какую роль сыграли речь, письменность и книгопечатание в общественном развитии?

5.   Укажите средства, применявшиеся человеком для обработки информации до появления компьютеров. В чем их особенности?

6.   Охарактеризуйте ручной этап в развитии информатики.

7.   Охарактеризуйте механический этап в развитии информатики.

8.   В чем состояли идеи Бэббиджа?

9.   Что общего между «разностной» и «аналитической» машинами Бэббиджа и чем они отличаются?

10.   Укажите основные причины и последствия информационного взрыва.

11.   Охарактеризуйте электромеханический этап в развитии информатики.

12.   Назовите первые вычислительные машины и укажите их особенности.

13.   Как определяется быстродействие компьютера? Что определяет эта величина?

14.   Охарактеризуйте электронный этап в развитии информатики.

15.   Проследите связь между изменениями в средствах и способах хранения и об­работки информации и общественным развитием.

16.   Укажите основные предпосылки перехода к безбумажной информатике.

17.   Опишите основные особенности персональных компьютеров.

18.    Какую роль играет Интернет в человеческом обществе в начале XXI в.?

19.  Дайте определение терминам «пользователь», «информатика», «компьютери­зация», «информатизация», «информационная технология».

20.   Опишите основные особенности современных технологий работы с информацией.

 

1.2.          Первичные понятия информатики

 

Первичными, базовыми понятиями науки информатики являются понятия «ин­формация», «информационная модель», «алгоритм» и «электронно-вычислитель­ная машина» («компьютер»).

 

1.2.1. Информация

 

Слово «информация» произошло от латинского слова informatio — разъяснение, изложение. В энциклопедическом словаре этот термин определяется как «...све­дения, передаваемые одними людьми другим людям устным, письменным или каким-либо другим способом (например, с помощью условных сигналов, с исполь­зованием технических средств и т. д.)...». Однако такая трактовка этого понятия, строго говоря, не является определением. Более того, оказывается, что точно, строго научно определить понятие «информация» вообще невозможно.

Дело в том, что понятие «информация» относится к так называемым первичным, неопределяемым понятиям. В математике существует группа понятий, дать стро­гое определение которым в принципе невозможно. К ним относятся понятия «множество», «точка» и некоторые другие. Любая попытка каким-либо образом определить их сведется к использованию синонимов. Например, часто исполь­зуемыми синонимами для термина «информация» являются термины «сведе­ния» и «данные». В таких случаях понятие вводится путем его объяснения, ко­торое опирается на интуицию, здравый смысл или бытовое применение термина.

В приведенном ранее определении предмета «информатика» дано одно из часто используемых пояснений понятия «информация».

 

 

ВНИМАНИЕ

Под информацией понимается отображение в человеческом сознании знаний и фак­тов (сведений, данных), используемых или встречающихся в различных областях человеческой деятельности.

 

Смысл термина «знание», в котором мы его применяем, также раскрыт выше: это осознанные и запомненные людьми свойства предметов, явлений и связей между ними, а также способы выполнения тех или иных действий для достиже­ния нужных результатов.

Как знания, так и отдельные систематизированные и не систематизированные факты, сведения или данные передаются с помощью сообщений. В качестве при­меров таких сообщений можно привести следующие предложения: «Поезд но­мер 10 задерживается до 12 часов 40 минут московского времени»; «Подозревае­мому на вид 40-45 лет, рост 190 см»; «Вес выпавшего осадка 15 мг»; «Уровень радиации не превышает 10 микрорентген в час» и т. д.

Сообщения могут передаваться между людьми с помощью самых разнообразных способов. Однако любое сообщение всегда материально, то есть представлено некоторой материальной субстанцией — камнем, глиной, бумагой, магнитной пленкой, электромагнитными или акустическими колебаниями, молекулами или атомами вещества и т. д.

 

ВНИМАНИЕ

Сообщение — это материальная форма информации. Фактически, все вышеприведенные примеры, которые трактовались как инфор­мация (наскальные рисунки, запахи, звуки, бумажные тексты, фотографии и т. д.), представляют собой примеры сообщений, несущих человеку некоторую важную или не важную для него информацию.

 

ВНИМАНИЕ

Информация — это нематериальный смысл, извлекаемый человеком из сообщения.

 

Соответствие между информацией и сообщением, с помощью которого она пере­дается, не является взаимно однозначным. Одна и та же информация может пе­редаваться с помощью различных сообщений. Например, сообщение о задержке рейса, передаваемое в аэропорту на различных языках, — одна и та же инфор­мация, а сообщения разные. И наоборот, одно и то же сообщение может нести различную информацию. Сообщение «над всей Испанией безоблачное небо» было воспринято большинством радиослушателей как часть метеосводки. И лишь очень немногие посвященные знали, что это условный сигнал к началу фашистского мятежа в Испании в 1936 г.

Возможность извлекать разную информацию из одного и того же сообщения яв­ляется следствием того, что разные получатели информации по-разному воспри­нимают, трактуют, интерпретируют сообщение. А в том случае, когда сообщение передается на неизвестном слушателю языке или же неизвестным образом зако­дированным (зашифрованное сообщение), его получатель вообще не сможет из­влечь из такого сообщения никакой информации.

Таким образом, возникает вопрос о способе, качестве и полноте извлечения информации из сообщения. Обычно способ выявления смысла сообщения явля­ется общепринятым (естественные языки), результатом договоренности между отправителем и получателем сообщения (шифрованные сообщения) или же он может быть предписан заранее им обоим (азбука Морзе). В общем случае го­ворят, что задается правило или группа правил интерпретации сообщений. Решающим фактором для извлечения информации из сообщения является зна­ние языка сообщения или способа его кодирования, то есть совокупности правил интерпретации сообщения, истолкования его смысла. В качестве наглядных при­меров правил интерпретации сообщений можно указать жаргоны, сленги, естест­венные, профессиональные и научные языки, криптографические шифры и т. д. Исходя из рассмотренных примеров и аналогий, группу правил, используемую для истолкования смысла, интерпретации сообщений, то есть для извлечения из сообщения полезной для получателя информации, часто называют языком ин­терпретации сообщений.

Как правило, сообщения записываются или передаются с помощью некоторой последовательности знаков — букв письменной или звуков разговорной речи, специально подобранных значков: точек и тире, математических, химических символов и т. д. Набор знаков, которые используются для формирования и пере­дачи сообщений, принято называть алфавитом языка интерпретации сообщений. Алфавит, как правило, задается прямым перечислением всех входящих в него знаков. Например, набор знаков (цифр) {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9} представляет со­бой алфавит, обычно используемый для записи чисел. Человечество за свою историю придумало множество различных наборов знаков, которые могут быть использованы для записи или передачи сообщений. Примерами могут служить алфавиты естественных языков, знаки Зодиака, набор знаков азбуки Брайля (для слепых), азбука Морзе, международные флажковый и семафорный коды и т. д. Поскольку в общем случае для формирования сообщения могут использоваться не только буквы алфавитов естественных языков, принято говорить, что сооб­щение кодируется тем или иным набором знаков, а сам алфавит или набор зна­ков иногда называют еще и кодом.

Как было отмечено ранее, одна и та же информация может быть передана с по­мощью различных сообщений, причем эта разница обычно проявляется в выборе различных языка или кода, с помощью которого оно формируется. Например, международный морской сигнал бедствия SOS можно передать сообщением на английском языке «Save our souls», аналогичным сообщением на русском — «Спасите наши души», с помощью азбуки Морзе — «...--------...» и многими дру­гими способами. Но во всех случаях, на любых языках и при любых способах ко­дирования смысл всех сообщений один и тот же — подан сигнал бедствия. Этот важный момент можно трактовать по-другому, а именно: можно считать, что существует только одно сообщение, но применяются разные способы его запи­си, кодировки.

 

ВНИМАНИЕ

Одно и то же сообщение может быть без потери его смысла, то есть без потери за­ключенной в сообщении информации, закодировано разными способами.

 

Из множества возможных способов кодирования сообщений наиболее важным для информатики частным случаем является кодирование двоичными наборами знаков, то есть наборами, состоящими всего из двух различных знаков, симво­лов, цифр. Именно к таким наборам относятся набор {есть отверстие, нет отвер­стия}, который использовался для записи информации на перфокартах в упомя­нутых выше примерах, и двоичный код — набор знаков, алфавит {0, 1}, который применяется при хранении информации в памяти компьютера, в связи с чем его называют еще и машинным кодом.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Несмотря на существенную разницу между понятиями «сообщение» и «инфор­мация», в соответствии с установившейся практикой устной и письменной речи в дальнейшем изложении практически везде используется термин «информация», хотя по контексту следовало бы использовать термин «сообщение».             

 

Основными операциями, выполняемыми над информацией (точнее говоря, над со­общениями), являются сбор, обмен, хранение и обработка. Сбор информации — это деятельность человека или технического устройства, в ходе которой человек или устройство получает необходимые сведения. Под обменом информацией понимается процесс передачи информации между различными объектами — меж­ду человеком и человеком, между человеком и техническим устройством, между различными техническими устройствами. Обмен сигналами в животном и расти­тельном мире, передача признаков от клетки к клетке и от организма к организму также рассматривается как передача, обмен информацией. Важно понимать, что принятую информацию получатель может использовать неоднократно. Хранение информации — это процесс поддержания информации в виде, обеспечивающем ее передачу в нужном виде и в нужное время. И наконец, под обработкой инфор­мации понимается упорядоченный процесс ее целесообразного преобразования.

 

1.2.2. Информационная модель

 

Получая какую-либо информацию из окружающей среды, человек определенным образом ее просеивает, отбрасывая несущественную, случайную информацию и оставляя только важную' для решаемой им задачи. Любой рассматриваемый объект или явление независимо от его материальности или идеальности имеет некоторые характерные для него черты, свойства, качества. Например, тело как материальный объект имеет геометрические размеры (длину, ширину, высоту), вес, цвет и т. д. А исторические события характеризуются датой и местом, где они произошли. Такие характерные, неотъемлемые черты, свойства, качества принято называть атрибутами объектов, явлений. Вообще говоря, объект или яв­ление может иметь очень большое количество атрибутов (десятки, сотни тысяч и более). И далеко не все из них существенны, важны для рассматриваемой задачи. Например, мы ожидаем на остановке трамвай номер 20. Мы смотрим на прибли­жающийся трамвай и видим, что трамвай состоит из трех вагонов, что он выкра­шен в красный и белый цвета, что водитель трамвая — женщина и что трамвай имеет номер 22. Неосознанно обрабатывая полученную информацию, мы, как правило, обращаем внимание только на то, что нас интересует, а именно на но­мер трамвая, а все остальные атрибуты отбрасываем как не имеющие значения для решаемой задачи. Таким образом, вместо реального объекта в нашем созна­нии формируется его образ — модель, содержащая только нужную в данной си­туации информацию и при этом лишенная всех несущественных подробностей.

 

ВНИМАНИЕ

Моделью называется материальный или идеальный образ некоторой совокупности реальных объектов или явлений, который при определенных обстоятельствах исполь­зуется в качестве заменителя или представителя исходных объектов или явлений. Это образ, полученный с помощью концентрации внимания только на некоторых важнейших с точки зрения решаемой задачи атрибутах рассматриваемых предме­тов или явлений и отбрасывания всех их несущественных свойств.

 

При решении задач в различных областях деятельности приходится строить раз­личные модели. В информатике рассматриваются в основном информационные и математические модели.

Рассмотрим, например, информационную модель личности.

На каждого сотрудника какого-либо предприятия или учреждения в отделе кад­ров заводится личное дело, в котором, в частности, находится личный листок по учету кадров. В этом документе отражаются такие атрибуты сотрудников, как фамилия, имя и отчество, дата рождения, образование, домашний адрес и т. д. А такие атрибуты, как цвет глаз, рост, вес, в личном листке не указываются. Можно считать, что этот документ представляет собой информационную модель личности сотрудника учреждения. В этой модели отражены только значимые для отдела кадров атрибуты сотрудников. Если же рассмотреть ситуацию, когда создается информационная модель личности преступника, разыскиваемого ор­ганами правопорядка, то не значимые ранее атрибуты — цвет глаз, рост и вес — теперь могут стать существенными, а, скажем, образование и точная дата рожде­ния — несущественными.

 

ВНИМАНИЕ

Один и тот же объект, одно и то же явление, рассматриваемые с различных точек зрения, могут иметь различные информационные модели.

 

Понятие математической модели очень близко к понятию информационной моде­ли, и многие специалисты рассматривают математическую модель как специфиче­ский, частный случай информационной модели. Характерной чертой математиче­ской модели является необходимость привлечения математических соотношений, уравнений, ограничений для адекватного описания рассматриваемых явлений или связей между объектами. Например, произошло дорожно-транспортное про­исшествие. Необходимо определить виновника аварии. В некоторых случаях может помочь измерение длины тормозного пути, по которому, с учетом состоя­ния дорожного покрытия, погодных условий и некоторых других факторов, можно с помощью специальных математических соотношений определить ско­рости машин, участвовавших в происшествии. Строится математическая модель ситуации, включающая в себя такие атрибуты, как длина тормозного пути, вес и габариты машин, состояние дорожного покрытия, специальные коэффициенты, учитывающие погодные условия, и математические соотношения, связывающие между собой все рассматриваемые величины. Выполнив необходимые математи­ческие расчеты, можно решить поставленную задачу и с большой долей уверен­ности определить виновника аварии.

Отвлечение от несущественных деталей, о котором шла речь выше, принято на­зывать абстрагированием. Таким образом, абстрагирование является одним из важнейших инструментов при построении модели какой-либо предметной облас­ти. Как видно из предыдущего обсуждения, при абстрагировании осуществляет­ся определенное огрубление реальной действительности. Однако концентрация внимания на наиболее важных аспектах, атрибутах позволяет выявить опреде­ляющие свойства, закономерности и, следовательно, понять сущность изучаемого объекта, явления. Наличие адекватной модели, то есть модели, верно отображаю­щей важнейшие особенности реальных объектов или явлений, позволяет спрогно­зировать поведение объекта в той или иной ситуации, описать процесс развития явления во времени, вовремя получить и использовать нужную информацию. Например, узнать вероятный характер погоды и на основании полученной ин­формации провести соответствующую подготовку. Построение модели является наиболее важным, наиболее сложным и наиболее творческим этапом при изуче­нии любых объектов или явлений. Разработка модели в ряде случаев требует объединенных усилий высококвалифицированных специалистов в конкретной предметной области и специалистов в области информатики.

 

1.2.3. Алгоритм

 

Построение информационной модели представляет собой первый, но не единст­венный этап изучения или использования в практических целях рассматривае­мого объекта, явления. После построения информационной или математической модели почти всегда приходится выполнять соответствующую модели обработ­ку конкретной информации (данных).

Осознанная обработка информации до последнего времени происходила в ос­новном в мозгу человека или же с применением довольно простых приспособле­ний — пальцев на руках, камешков, счет, арифмометров, логарифмических линеек и т. д. Однако схему обработки информации, последовательность действий, кото­рые необходимо выполнить, человек либо запоминал, либо записывал на бумаге для долговременного хранения или для передачи в другие руки.

 

ВНИМАНИЕ

Последовательность действий, которую необходимо выполнить над исходными данными, чтобы достичь поставленной цели, принято называть алгоритмом.

 

Отметим, что приведенное определение понятия алгоритма является не строгим. Его можно считать скорее объяснением, на уровне бытового использования термина.

Возникновение термина «алгоритм» связывают с именем великого узбекского математика IX в. Аль Хорезми, который дал определение правил выполнения основных арифметических операций. В европейских странах его имя трансфор­мировалось в слово «алгорифм», а затем уже в «алгоритм». В дальнейшем этот термин стали использовать для обозначения любой совокупности правил, опре­деляющих последовательность действий, выполнение которых приведет к дости­жению поставленной цели. Имеется несколько в общем сходных объяснений по­нятия «алгоритм», которые акцентируют внимание на различных аспектах этого понятия. Для большей полноты восприятия понятия «алгоритм» приведем еще два довольно часто используемых его объяснения.

 

ВНИМАНИЕ

Под алгоритмом понимается строгая, конечная система правил, инструкций для исполнителя, определяющая некоторую последовательность действий и после ко­нечного числа шагов приводящая к достижению поставленной цели. Алгоритм есть описание способа решения задачи, достижения цели, а собственно решение задачи или выполнение действий по данному способу является исполнением алгоритма.

 

 Важным моментом в последних объяснениях является использование еще одно­го понятия — «исполнитель алгоритма». В общем случае исполнять алгоритмы может не только человек. Животные, насекомые и даже растения в процессе своей жизнедеятельности выполняют определенные алгоритмы. В принципе, поручить исполнение алгоритма можно и неодушевленным механизмам и устройствам.

Если провести более или менее внимательный анализ, то окажется, что подав­ляющее большинство своих действий человек выполняет по определенным алго­ритмам, иногда даже не осознавая этого. По определенным рецептам готовятся те или иные кулинарные изделия, по определенным схемам осуществляется по­шив одежды, выплавка стали, выращивается зерно, выполняются лабораторные работы на занятиях по физике, химии, биологии, решаются математические за­дачи. Различные справочники в значительной мере являются сборниками алго­ритмов, которые представляют собой способы решения тех или иных задач, раз­работанные той или иной научной или технической дисциплиной.

 

ВНИМАНИЕ

Можно утверждать, что алгоритмы — это способ фиксации и передачи знаний, на­копленных человечеством, это богатство культуры, науки и техники.

 

Так что роль алгоритмов в жизни человека весьма многогранна и не сводится только к обработке информации. Однако в процессе обработки информации ал­горитмы играют первостепенную роль.

Алгоритмы обладают важнейшим качеством — исполнение одного и того же алгоритма в одних и тех же условиях различными людьми (в общем случае — исполнителями), как правило, приводит к одинаковым результатам. Следова­тельно, можно утверждать, что алгоритмы обладают (точнее, должны обладать) некоторыми свойствами, которые обеспечивают этот эффект. Кроме указанного качества, которое принято называть определенностью (однозначностью) алго­ритма, можно указать еще понятность задания алгоритма его исполнителю, воз­можность исполнения алгоритма в тех или иных конкретных условиях, принци­пиальную достижимость результата и некоторые другие качества. Наличие этих свойств и делает некоторый набор правил или указаний алгоритмом.

 

ВНИМАНИЕ

При задании алгоритма необходимо позаботиться о том, чтобы алгоритм восприни­мался всеми возможными исполнителями однозначно и точно, чтобы его можно было исполнить при любых допустимых исходных условиях и чтобы необходимый результат был получен за приемлемое время.

 

Способы задания (записи) алгоритмов также весьма разнообразны. В частности, можно отметить словесный способ задания алгоритма — на уровне естественного языка, запись музыкальной мелодии в виде нот, графические способы задания алгоритма: чертеж, используемый для изготовления какой-либо детали, мар­шрут геологической партии, нанесенный на карту, нарисованная по специальным правилам схема выполнения какой-либо последовательности действий (заметим, что такую схему принято называть блок-схемой алгоритма) и т. д.

Компьютер «понимает» только алгоритмы, которые заданы в виде двоичных ма­шинных кодов. Однако этот «естественный» для компьютеров, обладающий всеми необходимыми свойствами способ задания алгоритмов, очень сложен для исполь­зования человеком. Поэтому в информатике применяется ряд специальных спо­собов, языков задания, записи алгоритмов, которые, во-первых, призваны обес­печить соответствие алгоритма всем необходимым требованиям, а во-вторых, приспособлены для их использования как человеком, так и — после специальной обработки — компьютером. Такие искусственные языки, использующиеся для запи­си алгоритмов и обеспечивающие им наличие всех необходимых свойств, назы­ваются алгоритмическими языками. Существует очень много различных по своим возможностям и классам решаемых задач алгоритмических языков. В частности, можно упомянуть такие популярные языки, как Паскаль, Си, Ява.

Если имеется алгоритм обработки информации или выполнения тех или иных действий, то, в точности выполняя все предписания алгоритма, можно получить требуемый результат, не имея ни малейшего представления о том, зачем нужно выполнять те или иные действия. Важно только абсолютно точно выполнять предписанные в алгоритме действия и соблюдать порядок их выполнения. Итак, исполнение алгоритмов относительно несложно. Именно поэтому процесс ис­полнения алгоритмов удается формализовать и поручить его неодушевленным механизмам: автоматическим станкам, электронно-вычислительным машинам и т. д. Разработка же алгоритма, то есть плана выполнения действий, представ­ляет собой весьма сложный творческий процесс, на который иногда затрачива­ются годы и десятилетия. Разработка алгоритмов решения практических задач в различных областях человеческой деятельности осуществляется специалистами в сфере обработки данных, которых называют проблемными программистами.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Пример разработки и обсуждения алгоритма часто встречающейся задачи поиска приведен в главе с дополнительными материалами (глава 12, дополнение 1.1).

 

1.2.4. Компьютер

 

В связи со сделанным выше замечанием об относительной несложности ис­полнения алгоритмов, в частности алгоритмов обработки информации, у многих ученых возникала мысль перепоручить машине этот процесс, по возможности автоматизировав его полностью или хотя бы частично. Для достижения указан­ной цели в настоящее время используются электронные вычислительные маши­ны — компьютеры.

 

ВНИМАНИЕ

Электронная вычислительная машина (ЭВМ), или компьютер — это электронное устройство, используемое для автоматизации процессов приема, хранения, обра­ботки и передачи информации, которые осуществляются по заранее разработан­ным человеком алгоритмам (программам).

 

Еще раз обращаем внимание на важнейшие моменты этого определения:

□  компьютер представляет собой электронное устройство;

□  компьютер выполняет действия без вмешательства человека — автоматически;

□  компьютеру должен быть заранее задан разработанный человеком и записан­ный в специальной форме план действий — программа.

Когда говорят о машинной обработке информации, весьма часто в качестве термина, эквивалентного термину «информация», используют термин «данные».

 

ВНИМАНИЕ

Алгоритм, записанный в специальной «понятной» компьютеру форме, принято на­зывать программой, а обрабатываемую по этой программе информацию, также за­писанную в «понятной» компьютеру форме, принято называть данными.

 

Следует еще раз отметить, что единственной «понятной» для компьютера фор­мой задания как алгоритмов, так и обрабатываемых данных является упоми­навшееся ранее двоичное кодирование, то есть запись программ и данных в ал­фавите {0, 1}.

Как следует из определения, компьютер должен «уметь» хранить, обрабатывать, принимать и передавать информацию. Для этого в составе компьютера предусмот­рены специальные устройства, такие как память — устройство или несколько устройств для хранения информации, процессор (от слова process — обработка) — основное устройство для обработки информации, и большая группа устройств ввода-вывода, которые осуществляют необходимые действия по обмену инфор­мацией между выполняющим программу компьютером и пользователем или ка­кими-либо техническими устройствами.

 

Контрольные вопросы к разделу 1.2

1.  Что понимается под термином «информация»?

2.   Как связаны между собой информация и сообщение?

3.   Приведите примеры языков интерпретации сообщений и их алфавитов.

4.   Что называется кодом? Какие бывают коды? Почему двоичный код называет­ся машинным?

5.   Охарактеризуйте основные операции, выполняемые над информацией.

6.  Что называется атрибутом, моделью? В чем заключается абстрагирование? Что понимается под адекватностью модели?

7.   Приведите примеры информационных и математических моделей.

8.  Что понимается под термином «алгоритм»?

9.   Какова роль алгоритмов в жизни человека?

10.   Приведите примеры алгоритмов.

11.  Чем отличается исполнение алгоритма от его разработки? 12.   Укажите возможные способы задания алгоритмов.

13.   Что называется компьютером? Чем отличается компьютер от ЭВМ?

14.   Дайте определение терминам «программа» и «данные».

 

1.3. Классификация компьютеров

 

К настоящему времени в мире разработаны сотни и тысячи различных моделей компьютеров. Эти модели отличаются друг от друга устройством, способами кодирования информации, наборами возможных действий по обработке дан­ных, объемом запоминаемой информации и скоростью ее обработки. Для того чтобы ориентироваться в этом многообразии средств вычислительной техники, применяются различные классификационные схемы. Далее кратко рассмотрены две наиболее распространенные в настоящее время схемы — классификация по поколениям, соответствующая историческому процессу развития вычислитель­ной техники, и классификация по применению. Используя схему классификации по поколениям, необходимо учитывать, что исторический процесс усовершенст­вования и создания новых вычислительных машин происходил непрерывно. Следовательно, существуют машины и группы машин, «промежуточных» по своему положению, то есть по одним признакам попадающих в одну катего­рию, а по другим — в другую. То же самое можно сказать и о классификации по применению.

 

1.3.1. Классификация компьютеров по поколениям

 

К настоящему времени принято выделять пять поколений вычислительной тех­ники. К первому поколению относят машины, построенные на электронных лампах накаливания (рис. 1.5, а). В эту группу входят машины, созданные в пе­риод, начинающийся с электронной вычислительной машины EDS АС и закан­чивающийся примерно в конце 50-х гг. Эти машины стоили очень дорого, зани­мали огромные площади, были не совсем надежны в работе, имели маленькую скорость обработки информации и могли хранить очень мало данных. Созда­вались они в единичных экземплярах и использовались в основном для военных и научных целей. В качестве типичных примеров машин первого поколения можно указать американские компьютеры UNIVAC, IBM-701, IBM-704, а так­же советские машины БЭСМ и М-20. Типичная скорость обработки данных для машин первого поколения составляла 5-30 тысяч арифметических операций в секунду.

Ко второму поколению относят машины, построенные на транзисторных элемен­тах (рис. 1.5, б) в период с конца 50-х и до 60-х гг. У этих машин значительно уменьшились стоимость и габариты, выросли надежность, скорость работы и объ­ем хранимой информации. Типичные представители машин второго поколе­ния - PDP-8, IBM-7094, CDC-6600 (США), ATLAS (Великобритания), БЭСМ-4,

М-220, «Минск-32», БЭСМ-6 (СССР). Скорость обработки данных у машин вто­рого поколения возросла до 1 миллиона операций в секунду.

Машины третьего поколения выполнены на так называемых интегральных схе­мах (рис. 1.5, в), которые сокращенно обозначают ИС.

 

ВНИМАНИЕ

Интегральная схема представляет собой микроминиатюрную электрическую цепь определенного функционального назначения, которая с помощью специальной тех­нологии размещается на очень маленькой кремниевой (или какой-либо другой под­ходящей по свойствам) пластинке — основе.

           

Площадь такой схемы — 1—3 см2, но по своим функциональным возможностям интегральная схема эквивалентна сотням и тысячам транзисторных элементов. Из-за очень маленьких размеров и толщины интегральную схему иногда называ­ют микросхемой, а также чипом (chip — тонкий кусочек). Благодаря переходу от транзисторов к интегральным схемам изменились стоимость, размер, надежность, скорость и емкость машин.

Кроме перехода на новую элементную базу, важно отметить также, что машины начали выпускаться семействами. Машины, входящие в семейство, имеют оди­наковую логическую структуру, одни и те же способы работы с информацией, но различные параметры стоимости, скорости и объема хранимых данных. Это по­зволяет осуществлять широкий обмен программами и данными между разными пользователями без внесения в программы существенных изменений. Машины третьего поколения появились в середине 60-х гг. Это были машины семейства IBM/360. Популярность этих машин оказалась настолько велика, что во всем мире их стали копировать или выпускать похожие по функциональным возмож­ностям и совпадающие по способам кодирования и обработки информации. При­чем программы, подготовленные для выполнения на машинах IBM, с успехом выполнялись на их аналогах, так же как и программы, написанные для выпол­нения на аналогах, могли быть выполнены на машинах IBM. Такие модели машин принято называть программно-совместимыми. В нашей стране такойпрограммно-совместимой с семейством IBM/360 была серия машин ЕС ЭВМ, в которую входило около двух десятков различных по мощности моделей.

Начиная с третьего поколения, вычислительные машины становятся повсемест­но доступными и широко используются для решения самых различных задач. Характерным для этого времени является коллективное использование машин, так как они все еще достаточно дороги, занимают большие площади и требуют сложного и дорогостоящего обслуживания. Правда, доступ к возможностям ма­шины уже организуется и с индивидуально используемых устройств — термина­лов (terminal — конечный пункт), которые находятся на некотором удалении от основного оборудования машины, иногда даже на рабочих местах пользователей. В состав терминала, как правило, входят клавиатура (совокупность клавиш в раз­личных устройствах), используемая для набора данных и выполнения простейших операций по управлению работой компьютера, и дисплей (display — показывать, демонстрировать), служащий для отображения текущей ситуации и полученных результатов вычислений. Как следует из описания функций терминалов, клавиа­туры и дисплея, эти устройства относятся к группе устройств ввода-вывода. Но­сителями исходной информации все еще являются перфокарты и перфоленты, хотя уже значительный объем информации сосредоточивается на магнитных но­сителях — дисках и лентах. Скорость обработки информации у машин третьего поколения достигала нескольких миллионов операций в секунду.

В первой половине 70-х гг. происходит переход от обычных интегральных схем к схемам с большей плотностью монтажа — большим интегральным схемам (БИС). Если обычные интегральные схемы эквивалентны тысячам транзистор­ных элементов, то большие интегральные схемы заменяют уже десятки и сотни тысяч таких элементов. На фоне этого перехода произошло разделение до этой поры в общем-то единого потока развития средств вычислительной техники на две ветви. Одна ветвь продолжала старую тенденцию развития машин по линии наращивания мощности и надежности, а также по линии коллективного исполь­зования вычислительных мощностей. Считается, что машины этого направления образуют четвертое поколение компьютеров. Среди них следует упомянуть семейство машин IBM/370, а также модель IBM 196, скорость которой достиг­ла 15 миллионов операций в секунду. Отечественными представителями машин четвертого поколения являются машины семейства «Эльбрус». Отличительная черта четвертого поколения — наличие в одной машине нескольких (обычно 2-6, иногда до нескольких сотен и даже тысяч) центральных, главных устройств об­работки информации — процессоров, которые могут дублировать друг друга или независимым образом выполнять вычисления. Такая структура позволяет резко повысить надежность машин и скорость вычислений. Другая важная особен­ность — появление мощных средств, обеспечивающих работу компьютерных сетей. Это позволило впоследствии создавать и развивать на их основе глобаль­ные, всемирные компьютерные сети.

Вторая ветвь развития средств вычислительной техники оказалась направленной на миниатюризацию и персонализацию средств обработки данных. Своим рожде­нием это направление обязано появлению в 1971 г. первого микропроцессораIntel 4004 (от названия фирмы-производителя INTegrated ELectronics — объеди­ненная электроника). Микропроцессором считается процессор, реализованный на одной или нескольких интегральных схемах без потери функциональных свойств обычных процессоров, то есть устройств, обеспечивающих все необходимые опера­ции по обработке данных. Для микропроцессоров введена отдельная классифи­кация, по которой Intel 4004 относится к первому поколению микропроцессо­ров. Основные этапы развития микропроцессорной техники рассмотрены ниже.

Последним на сегодняшний день считается пятое поколение компьютеров. О про­екте создания машин этого поколения, рассчитанном на десять лет, объявили в начале 80-х гг. японские разработчики. За ними в эту стратегическую гонку втянулись ученые США, СССР и ряда стран Западной Европы. Было заявлено, что к началу 90-х гг. будет создано принципиально иное по стилю обработки информации и взаимодействия с пользователем поколение машин. Если ранее человек тщательно и подробно формулировал машине последовательность дей­ствий по обработке информации, то теперь машина по поставленной перед ней цели должна самостоятельно составить план действий и выполнить их. Такой способ решения задач принято называть логическим программированием. Кроме того, планировалось ввести общение с машиной на уровне естественного языка. Однако решить полностью весь комплекс задач проекта до сих пор не удалось. Хотя имеются впечатляющие достижения по каждому из направлений проек­та, возникли определенные финансовые и технические трудности. Кроме того, усилия значительной части разработчиков были переключены на микропроцес­сорную технику и развитие сетевых технологий.

1.3.2. Классификация компьютеров по применению

 

Классификация по применению включает следующие группы: микропроцессо­ры, микрокомпьютеры (микроЭВМ), мини-компьютеры (мини-ЭВМ), универ­сальные компьютеры (универсальные ЭВМ) и суперкомпьютеры (суперЭВМ).

Микропроцессоры представляют собой программируемые интегральные схемы, встраиваемые в какое-либо отдельное устройство, механизм (автомобиль, метал­лорежущий станок, крылатую ракету) с целью автоматизации управления или оптимизации работы механизма.

Если к микропроцессору подключить другие необходимые для компьютера уст­ройства (память, устройства ввода-вывода), получится микроЭВМ, или микро­компьютер. Оба эти названия практически вытеснены из обихода более попу­лярными: персональная ЭВМ и персональный компьютер.

 

ВНИМАНИЕ

Персональный компьютер — это компьютер индивидуального использования.

 

Из определения следует, что персональный компьютер эксплуатируется, как пра­вило, одним человеком или относительно небольшим коллективом специалистовдля решения своих профессиональных задач. Иногда персональный компьютер используется как ведущий элемент системы управления группой механизмов. При работе в компьютерных сетях персональный компьютер часто играет роль так называемого интеллектуального терминала — более мощного, чем обычный терми­нал, устройства, которое не только обеспечивает обмен данными или управление работой компьютера в сети, но и может взять на себя значительную часть функ­ций по хранению и обработке информации. С помощью простого терминала или персонального компьютера — интеллектуального терминала — пользователь по­лучает доступ ко всем ресурсам сети. А предоставляются эти ресурсы другими персональными компьютерами, универсальными вычислительными машинами или суперкомпьютерами. Машины, которые предоставляют свои ресурсы другим ком­пьютерам, принято называть серверами (serve — обслуживать, быть полезным).

По своим вычислительным возможностям современные персональные компьютеры намного опередили машины второго и третьего поколений, не говоря уже о маши­нах первого поколения. Для наглядности можете сравнить 30-тонный «динозавр» ENIAC, с его размерами и скоростью 5 тысяч операций в секунду, и стандартный современный персональный компьютер, умещающийся на обычном рабочем столе специалиста и выполняющий десятки и сотни миллионов операций в секунду.

В 1999 г. был введен в действие международный стандарт «спецификации РС99», который определяет классификацию, а также требования к аппаратным и про­граммным средствам персональных компьютеров. Термин «спецификация» озна­чает формализованное описание свойств, характеристик и функций некоторого объекта. Таким образом, «спецификации РС99» представляют собой описание характеристик персональных компьютеров (PC — сокращение английского слово­сочетания personal computer), сформулированное в 1999 г. Сразу же отметим, что классификация персональных компьютеров, предложенная в стандарте РС99, сохранилась и в стандартах, принятых в последующие годы. Согласно указан­ным стандартам, вводится пять категорий персональных компьютеров (в скоб­ках указаны соответствующие официальные термины):

 

□  домашний пользовательский, потребительский, массовый компьютер (Con­sumer PC), предназначенный для работы в основном в домашних условиях;

□   офисный, деловой компьютер (Office PC) предназначен для выполнения канце­лярской работы в составе компьютерных сетей предприятия, организации и т. д.;

□   мобильный, переносной, портативный компьютер (Mobile PC) предназначен для специалистов, которые используют компьютерные технологии в поезд­ках, во время деловых встреч и т. д., когда использование стационарных ма­шин затруднено или вообще невозможно;

□   рабочая станция (Workstation PC) служит в качестве сервера в компьютерных сетях, а также как рабочий инструмент разработчиками программных средств, конструкторами, в издательствах, то есть там, где предъявляются повышен­ные требования к ресурсам компьютера;

□   игровой или развлекательный компьютер (Entertainment PC) предназначен для игр, а также для высококачественной работы со звуком и видеозаписями.

Компьютеры первой и второй категорий часто объединяют в одну группу настоль­ных (desktop — настольный) компьютеров (рис. 1.6, а). А в категории мобильных в последние годы выделились подгруппы портативных, или «ноутбуков», размером с «дипломат» (рис. 1.6, б), и ручных (palmtop, hand-held PC или НРС — дослов­но: на поверхности ладони, «наладонный», ручной), или карманных, персональных компьютеров (КПК) размером не намного больше привычных микрокалькуля­торов (рис. 1.6, в). Для сравнения, вес ноутбука равен примерно 2-3 кг, а вес КПК обычно составляет 100-300 г, размеры «ноутбука»: длина 30-50 см при тол­щине 5-10 см, а размеры карманного компьютера: длина 10-15 см при толщи­не 1-2 см. Малый вес, небольшие размеры и автономное питание позволяют использовать упомянутые машины в деловых поездках, на деловых встречах, научных конференциях и т. д., словом, в тех случаях, когда доступ к стационарно установленным компьютерам ограничен или невозможен, например, в поезде или самолете.

Существуют также компьютеры, которые можно отнести к промежуточной груп­пе между настольными и мобильными компьютерами. Эти компьютеры иногда называют настольными мини-компьютерами (Book PC — книжный персональный компьютер или slim-deck — тонкий настольный). По размерам они в 2-3 раза меньше обычного настольного компьютера.

В качестве отдельной группы настольных компьютеров можно также упомянуть игровые и интернет-приставки, которые используются для компьютерных игр, для прослушивания аудиозаписей или просмотра видеофильмов, а также для подсоединения к всемирной сети Интернет. Приставки устроены практически так же, как и обычные персональные компьютеры, но они не оснащены диспле­ем, вместо которого используются обычные телевизоры.

Следующая группа — мини-компьютеры (не путать с настольными мини-компь­ютерами) — состоит из машин, используемых для работы в условиях реального производства, для управления поточной линией, цехом, для обеспечения работы научной лаборатории или относительно небольшого учреждения. Как правило, мини-компьютеры выполнялись в виде нескольких напольных стоек, содержа­щих все его устройства. В настоящее время мини-компьютеры практически пол­ностью вытеснены более мощными и дешевыми персональными компьютерами.

Группа универсальных компьютеров характеризуется возможностью решать по­давляющее большинство задач обработки информации и практически неогра­ниченными возможностями ее хранения. Универсальные машины — мэйнфрей­мы (mainframe — главный каркас, центральное строение) применяются как центральное звено в системах управления производственным циклом для обес­печения работы крупных НИИ, организаций и учреждений. К группе универ­сальных компьютеров относят машины типа ЕС ЭВМ, «Эльбрус» и другие ана­логичные им. Как и группа мини-компьютеров, эта группа машин постепенно вытесняется мощными персональными компьютерами.

Суперкомпьютеры используются для решения задач так называемых предель­ных классов, для которых требуется сосредоточение колоссальных вычислитель­ных мощностей. Это задачи метеопрогноза в планетарных масштабах, задачи расчета и проектирования современных самолетов и космических кораблей, задачи из области ядерной физики и космогонических исследований, задачи управления системами противоракетной и космической обороны, задачи обеспе­чения работы глобальных сетей общемирового значения и т. д. Суперкомпьюте­ры содержат от нескольких сотен до десятков тысяч процессоров.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

В настоящее время мощнейшими суперкомпьютерами считаются американская мо­дель ASCI White, которая работает со скоростью 12,4 триллиона операций в секунду (3-е место в списке мощнейших суперкомпьютеров мира), японский суперкомпь­ютер Earth Simulator — имитационная модель Земли, имеющий скорость 30 трил­лионов операций в секунду (2-е место в списке), и американский суперкомпьютер Cray XI, который в начале 2003 г. достиг наивысшей (на тот момент) в мире ско­рости 52 триллиона операций в секунду. Можно отметить также отечественную модель МВС-1000/М, которая в 2002 г. со скоростью 1 триллион операций в секун­ду занимала 64-е место в списке 500 лучших суперкомпьютеров мира. Разработчики суперкомпьютеров предполагают к 2005 г. достичь скорости 500-1000 триллионов операций в секунду.

 

Контрольные вопросы к разделу 1.3

1.   Опишите классификационную схему компьютеров по поколениям.

2.   Охарактеризуйте первое поколение компьютеров.

3.   Охарактеризуйте второе поколение компьютеров.

4.   Что называется интегральной схемой, большой интегральной схемой, процес­сором, микропроцессором, памятью, терминалом, дисплеем, сервером?

5.   Что называется семейством компьютеров?

6.   Какие компьютеры считаются программно-совместимыми?

7.   Охарактеризуйте третье поколение компьютеров.

8.   Охарактеризуйте четвертое и пятое поколения компьютеров.

9. Опишите классификационную схему компьютеров по применениям.

10.   Опишите классификацию персональных компьютеров.

11.   Охарактеризуйте настольные, портативные, карманные и ручные компьютеры.

12.   В чем состоят особенности универсальных компьютеров и суперкомпьютеров?

 

1.4. Основные области применения компьютеров

 

Применение методов и средств информатики возможно во всех тех областях человеческой деятельности, в которых существует принципиальная возможность (и необходимость) регистрации и обработки информации. По этому поводу существует замечательное высказывание: «Применение вычислительных машин ограничено только рамками нашей фантазии». Сейчас трудно назвать такую сферу деятельности человека, в которой не применяют или не пытаются приме­нить современные информационные технологии. Ниже приведены примеры только наиболее значительных областей применения средств обработки данных:

 

□   Военное дело, например системы противоракетной обороны, космические системы.

□   Моделирование физических явлений и исследование построенных моделей с помощью компьютеров.

□  Обработка конкретных экспериментальных данных при проведении матема­тических, физических, химических, биологических, социологических, истори­ческих, археологических и других подобных исследований.

□   Решение задач метеопрогноза.

□  Автоматизированные рабочие места (АРМ) специалиста, например АРМ бухгалтера, руководителя, врача и т. д.

□  Системы автоматического проектирования, обеспечивающие поддержку ра­боты инженера-конструктора, существенно повышающие производительность его труда и сокращающие сроки разработок.

□  Управление работой отдельных станков (станки с числовым программным управлением), роботы, робототехнические линии, цеха и заводы-автоматы.

□  Автоматизированные системы планирования и управления производством, начиная с отдельных предприятий и кончая управлением целыми отраслями (железнодорожный транспорт, авиация и т. д.).

□   Получение изображений внутренних частей непрозрачных тел, в том числе в медицине — компьютерная томография, и на производстве — контроль ка­чества, не разрушающий изделия.

□  Системы массового обслуживания и информационно-справочные системы. На­пример, системы резервирования и продажи железнодорожных и авиабилетов.

□  Обслуживание крупных спортивных мероприятий — мировых и европейских чемпионатов, Олимпийских игр.

□   Базы данных правовой информации (быстрый доступ к нормативным актам, указам и постановлениям правительства, статьям Уголовного и других кодексов), криминалистические базы данных, хранящие сведения о преступниках и т. д.

□   Банковские и биржевые компьютерные системы.

□ Библиографические компьютерные системы.

□   Подготовка различных документов, отчетов и других печатных материалов, рекламное дело.

□   Компьютерная верстка и подготовка к изданию газет, журналов, книг.

□  Аранжировка музыкальных произведений, цветомузыка.

□   Скульптура и архитектура.

□   Компьютерный дизайн разрабатываемых устройств, помещений.

□   Компьютерный подбор причесок, моделей одежды.

□   Компьютерная мультипликация и анимация («оживление» изображений — воспроизведение последовательности изображений, создающее впечатление движения).

□   Машинный перевод с различных естественных языков.

□  Лингвистика, расшифровка неизвестных языков.

□  Криптография — шифрование и расшифровка документов, доступ к которым должен быть ограничен.

□   Компьютерная геодезия и картография.

□   Обучающие, тестирующие и контролирующие программы.

□   Цифровая аудио- и видеозапись.

□  Игровые программы.

□   Новые средства связи, базирующиеся на локальных и глобальных сетях.

 

Необходимо все-таки упомянуть и еще об одной весьма специфической области «применения» информационных технологий. Практически одновременно с по­явлением персональных компьютеров и ростом популярности компьютерных сетей появились программы, которые были названы компьютерными вирусами. Основной целью выполнения таких программ можно считать нанесение вреда аппаратным средствам, программам или данным конкурентов. Важным отличи­тельным признаком вирусов является их способность к самораспространению, которое позволяет вирусам за небольшой промежуток времени «заразить» боль­шое количество компьютеров и нанести максимальный вред. Свойства компью­терных вирусов и борьба с ними рассматриваются в главе 6.

Более подробно следует обсудить такие относительно новые информационные поня­тия и технологии, как гипертекст, мультимедиа и информационные услуги в сетях.

 

1.4.1. Гипертекст

 

При работе с различного рода словарями и справочниками довольно часто при­ходится сталкиваться с ситуацией, когда в определении или переводе какого-либо слова, термина встречается ссылка «см....», отсылающая читателя за получениемдополнительной информации в какое-то другое место. Например, в словаре ино­странных слов дано следующее определение термина «информация»:

«Информация [< лат.; см. Информировать] — 1) сообщение о чём-л.; 2) сведения, являющиеся объектом хранения, переработки и передачи, например, генетическая информация».

Встретив такую ссылку (см. Информировать), приходится, перелистывая множе­ство страниц справочника, искать термин, на который дана ссылка. Технология гипертекста значительно облегчает, а точнее, полностью автоматизирует получе­ние дополнительной информации, связанной с такого рода ссылками. Читателю достаточно только определенным образом указать на выбранную ссылку, все ос­тальное выполнит специальная программа.

 

ВНИМАНИЕ

Гипертекст представляет собой текст со ссылками, читаемый с помощью специаль­ной программы, которая автоматически находит в компьютере связанную с вы­бранной ссылкой дополнительную информацию и выводит ее на экран дисплея.

 

Ссылки в гипертексте принято называть полями. Полями могут быть встре­чающиеся в тексте символы, понятия, словосочетания, изображения. Как пра­вило, поля отличаются от остального текста более ярким или интенсивным цветом. Выбор любого поля в гипертексте автоматически приводит к выполне­нию какого-либо действия, например поиску определения выделенного в поле термина. Это определение может, в свою очередь, содержать произвольное ко­личество новых гипертекстовых ссылок — полей. С полем может быть связано выполнение какой-либо дополнительной программы, проигрывание фрагмен­та аудио- или видеозаписи. После выполнения связанных с полем действий можно вернуться в исходное место или перейти дальше по новой ссылке, встре­тившейся в вызванном фрагменте гипертекста. Гипертексты широко исполь­зуются в различных справочных системах, обучающих программах, электрон­ных учебниках.

 

1.4.2. Мультимедиа

 

Первоначально компьютеры умели «работать» только с числами. Немного позд­нее они «научились» работать с текстами и графикой. И лишь в последнем деся­тилетии XX века компьютер «освоил» звук и движущееся изображение. Новые возможности компьютера получили название мультимедиа (multimedia — мно­жественная среда, то есть среда, состоящая из нескольких компонентов различ­ной природы).

 

ВНИМАНИЕ

Мультимедиа представляет собой совокупность аппаратных и программных средств, обеспечивающих создание звуковых и визуальных эффектов, а также влияние че­ловека на ход выполнения программы, предусматривающей их создание.

 

Ярким примером применения мультимедийных возможностей являются различ­ные энциклопедии, в которых вывод текста той или иной статьи сопровождается показом связанных с текстом изображений, фрагментов кинофильмов, синхрон­ным озвучиванием выводимого текста и т. д. Мультимедиа широко применяется в обучающих, познавательных, игровых программах. Эксперименты, проводив­шиеся над большими группами обучаемых, показали, что в памяти остается 25 % услышанного материала. Если материал воспринимается зрительно, то запо­минается 1/3 увиденного. В случае комбинированного воздействия на зрение и слух доля усвоенного материала повышается до 50 %. А если обучение органи­зовано при диалоговом, интерактивном (interaction — взаимодействие) общении обучаемого и мультимедийных обучающих программ, усваивается до 75 % мате­риала. Эти наблюдения свидетельствуют об огромных перспективах применения мультимедийных технологий в области обучения и во многих других аналогич­ных областях применения.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Одной из разновидностей мультимедиа считается так называемое кибернетиче­ское пространство, которое представляет собой аппаратно-программный комплекс для создания виртуальной, то есть кажущейся, «действительности». Иллюзия при­сутствия и влияния человека на текущую ситуацию в воображаемом трехмерном пространстве производится с помощью программ и технического оборудования — специальных перчаток (инфоперчатки), реагирующих на мельчайшие движения пальцев руки и оказывающих необходимое, регулируемое компьютером сопротив­ление этим движениям; костюма с датчиками (инфокостюм), улавливающими дви­жения головы, тела, рук и ног; шлема со специальными оптическими устройствами для создания объемного изображения (инфошлем). Такие системы очень широко используются как тренажеры при подготовке летчиков, космонавтов, для имитации войсковых учений, танковых и воздушных сражений, в игровых программах типа «звездных войн».

 

Развитием гипертекстовых и мультимедийных систем являются гипермедиа-сис­темы, в которых принципы гипертекста комбинируются с возможностями муль­тимедийной среды и распространяются на тексты, создаваемые не в одной и той же, а в различных программных средах, которые к тому же могут находиться в разных машинах компьютерной сети.

 

Контрольные вопросы к разделу 1.4

1.   В каких сферах деятельности человека возможно применение методов и средств информатики?

2.   Опишите известные вам области применения вычислительной техники.

3.   Что называется компьютерным вирусом?

4.   Что называется гипертекстом, гипертекстовой ссылкой?

5.   Охарактеризуйте основные особенности мультимедиа. В чем заключается ин­терактивный режим взаимодействия?

 

1.5. Компьютерные сети

 

Идея соединения друг с другом нескольких компьютеров для обмена инфор­мацией между ними появилась почти одновременно с созданием первых компь­ютеров. Такое соединение по аналогии с телефонным стали называть сетью ЭВМ, компьютерной сетью, информационной сетью, сетью передачи данных

или просто сетью.

 

ВНИМАНИЕ

Компьютерной сетью называется объединение двух и более вычислительных машин специальными средствами связи, с помощью которых можно осуществлять обмен информацией между любыми включенными в сеть компьютерами.

 

Различают локальные и глобальные сети. Локальные сети объединяют несколь­ко десятков или сотен близко расположенных машин. Такое объединение позво­ляет организовывать обмен информацией между машинами, хранить только по одному экземпляру программ и данных и совместно их использовать, совмест­но эксплуатировать дорогостоящее оборудование, объединять вычислительные мощности нескольких машин для решения сложных задач и т. д.

Однако наиболее впечатляющие возможности возникают при объединении ма­шин в глобальные сети, когда между собой соединяются сотни тысяч и миллио­ны машин, находящихся на разных материках. Наиболее известным приме­ром глобальных сетей является уже упоминавшаяся сеть Интернет (Internet — INTERNational NET — международная сеть), которая по сути дела является как бы «сетью сетей». Она объединяет множество разнородных локальных и регио­нальных сетей и имеет планетарный масштаб.

Локальные и глобальные сети очень широко используются в самых различных областях человеческой деятельности. Уже есть такие сферы, работа которых сильно зависит от наличия или отсутствия выходов в глобальные сети, — это биржи, банки, крупные библиотеки, метеослужба, управление транспортными коммуникациями, газопроводами и т. д. Это такие сферы, успешная работа кото­рых напрямую зависит от своевременности обработки очень больших массивов информации, передаваемой на большие расстояния.

 

1.5.1. Основные возможности и проблемы работы в сетях

 

Специалисты очень быстро оценили основные достоинства компьютерных сетей. К их числу относятся:

 

□  практически мгновенный обмен информацией между пользователями, имею­щими доступ к компьютерам сети;

□  совместное использование дорогостоящей и эффективной аппаратуры, вклю­ченной в состав сети (например, лазерных принтеров);

□   совместное использование программ и данных, хранящихся в компьютерах сети, что позволяет экономить дисковую память из-за отказа от дублирова­ния файлов на каждом из компьютеров;

□  доступ к уникальной, то есть имеющейся в единичных экземплярах, информа­ции для большого числа людей;

□  использование для обработки информации более мощных компьютеров;

□  возможность объединения вычислительных мощностей для решения слож­ных задач.

Однако работа в сети связана с целым рядом проблем:

□   сохранность ценной информации общего использования;

□   обеспечение надежности работы сетевой аппаратуры и сетевых программ;

□  ограничение доступа к конфиденциальной информации;

□  защита от компьютерных вирусов — вредоносных программ, наносящих раз­личный ущерб аппаратуре и другим программам;

□  разрешение конфликтов, когда несколько пользователей одновременно пыта­ются использовать одну и ту же аппаратуру, одни и те же программы или данные и т. д.

 

Пользователям, имеющим выход в компьютерные сети, предоставляются раз­нообразные информационные услуги. Наиболее популярными из них являются электронная почта и Всемирная паутина.

 

1.5.2. Электронная почта

 

Если общение между людьми осуществляется в виде разговора, то это требует их одновременного присутствия в одном месте. Телефонный разговор требует толь­ко одновременности. Его участники могут находиться в разных местах в про­странстве. Письменное почтовое сообщение не требует ни единого места, ни еди­ного времени. При этом получатель письма не обязан присутствовать в тот момент, когда письмо доставляется по назначению. Однако на доставку пись­менного сообщения затрачивается очень много времени.

Электронная почта представляет собой разновидность средств связи между людьми, которая лишена всех этих недостатков. Любой пользователь сети может послать любому другому «электронное» письмо, то есть текстовое сообщение, которое по линиям связи передается от компьютера отправителя к компьютеру адресата, где письмо и будет ожидать, пока его не прочитают. Передача сообще­ния происходит в течение очень короткого времени, исчисляемого несколькими секундами, максимум — минутами. С помощью электронной почты и подобных ей средств осуществляется передача по сети документов, факсов, чертежей, изо­бражений, проводятся деловые совещания, научные конференции, распростра­няются научные журналы, на электронных досках объявлений размещаются по­следние новости.

 

1.5.3. Всемирная паутина

 

В последние годы широкую известность и огромную популярность приобрела Всемирная паутина — World Wide Web, сокращенно WWW или просто Web, представляющая собой гипертекстовую сетевую информационную систему. Она является самым интересным и удобным видом услуг, включенных в Интернет. Программы, предназначенные для работы с гипертекстами, находящимися в Web, принято называть веб-обозревателями, или браузерами (browse — пролисты­вать, проглядывать, просматривать). Документы, которые содержат гипертексты, записанные понятным для веб-обозревателей способом, принято называть веб-документами или веб-страницами. В отличие от обычных гипертекстовых сис­тем, эти программы позволяют работать с гипертекстами, расположенными на любых компьютерах, подключенных к сети Интернет. Причем время доступа к запрошенной информации мало зависит от расстояния между компьютерами и обычно составляет максимум несколько минут. Эта возможность, по сути дела, превращает весь мир в единое информационное пространство.

 

Контрольные вопросы к разделу 1.5

 

1.  Что называется компьютерной сетью? Какие бывают сети?

2.  Опишите основные преимущества работы в компьютерных сетях. Какие при этом возникают проблемы?

3.  Опишите основные информационные услуги, предоставляемые пользователям компьютерных сетей.

4.  Охарактеризуйте электронную почту как один из видов связи.

5.  Что представляет собой Всемирная паутина? Что требуется для работы в Web? Что называется обозревателем (браузером)?

6.  Что называется веб-документом?

 

Глава 2

Архитектура персонального компьютера

 

Термин архитектура в применении к компьютерам относительно нов. До сере­дины 70-х гг. применялся более узкий термин «устройство» компьютера.

 

ВНИМАНИЕ

Под архитектурой компьютера понимается совокупность сведений об основных устройствах компьютера и их назначении, о способах представления программ и дан­ных в машине, об особенностях ее организации и функционирования.

 

Для более подробного изучения выбрана архитектура наиболее популярного и широко распространенного в настоящее время семейства IBM-совместимых персональных компьютеров.

Как было отмечено ранее, основными функциями компьютера являются хране­ние, обработка, прием и передача данных. Для выполнения этих функций в ком­пьютере предусмотрены различные устройства. Каждое из них выполняет ту или иную конкретную функцию. В состав любого современного компьютера входят:

 

□   память — группа устройств, которые обеспечивают хранение программ и данных;

□   процессор — одно или несколько устройств, которые обеспечивают задавае­мую программой обработку данных;

□   устройства ввода-вывода — группа устройств, которые обеспечивают обмен, то есть прием и передачу данных между пользователем и машиной или между двумя или более машинами.

 

Различные устройства компьютера подсоединяют друг к другу с помощью стан­дартизированных и унифицированных аппаратных средств — кабелей, разъемов и т. д. При этом устройства обмениваются друг с другом информацией и управляю­щими сигналами, которые также приводятся к некоторым стандартным формам.

Совокупность этих стандартных средств и форм образует конкретный интерфейс того или иного устройства или компьютера в целом.

 

ВНИМАНИЕ

Интерфейсом называется совокупность унифицированных стандартных соглашений, аппаратных и программных средств, методов и правил взаимодействия устройств или программ, а также устройств или программ с пользователем.

Заметим, что для обозначения совокупности устройств, которые могут быть включены в состав компьютера той или иной модели, а также средств их соеди­нения используется термин аппаратное обеспечение.

 

2.1. Основы хранения информации в компьютере

 

Как было отмечено ранее, информация всегда имеет форму сообщения, а сооб­щение кодируется тем или иным набором знаков, символов, цифр. Теоретически и экспериментально было показано, что самым удобным и эффективным является использование в вычислительной технике двоичного кода, то есть набора симво­лов, алфавита, состоящего из пары цифр {0, 1}. Поскольку двоичный код исполь­зуется для хранения информации в вычислительных машинах, его еще называют машинным кодом.

Цифры 0 и 1, образующие набор {0, 1}, обычно называют двоичными цифрами, потому что они используются как алфавит в так называемой двоичной системе счисления. Система счисления представляет собой совокупность правил и прие­мов наименования и записи чисел, а также получения значения чисел из изобра­жающих их символов. Количество знаков в алфавите системы счисления обычно отражается в ее названии: двоичная, троичная, восьмеричная, десятичная, шестнадцатеричная и т. д. Можно рассматривать системы счисления с любым коли­чеством знаков в алфавите. В настоящее время общепринятой является арабская десятичная система счисления, состоящая из десяти цифр {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}. Однако десятичная система слишком сложна, так как для ее применения необ­ходимо подобрать технические способы изображения десяти различных цифр. С точки зрения технической реализации компьютера, гораздо проще работать всего с двумя цифрами двоичной системы {0, 1}.

 

ВНИМАНИЕ

Элементарное устройство памяти компьютера, которое применяется для хранения одной двоичной цифры машинного кода программы или данных, называется дво­ичным разрядом или битом.

 

Слово «бит» произошло от английского термина bit, представляющего собой сокращение словосочетания Binary digiT (двоичная цифра). Технически бит может быть реализован самыми разными способами. Однако каким именноконкретным способом это сделано в компьютере — для нас совершенно безраз­лично. Важно лишь понимание назначения, свойств и функций бита.

 

□   Бит может находиться только в одном из двух возможных состояний, одно из которых принято считать изображением цифры «О», а другое — изображени­ем цифры «1». Свое состояние бит сохраняет сколь угодно долго, пока оно не будет изменено принудительно, следовательно, бит может хранить записан­ную в нем информацию.

□   В любой момент можно узнать, в каком из двух состояний находится бит — в состоянии «О» или в состоянии «1», при этом текущее состояние бита оста­нется неизменным. Другими словами, можно прочитать записанную в бит информацию (без ее потери).

□   Всегда, когда в этом возникнет необходимость, и вне зависимости от текуще­го состояния можно перевести бит из одного состояния в другое. Иначе гово­ря, в бит можно записать новую информацию.

 

Итак, бит обеспечивает базу для хранения информации, одной из трех важней­ших функций компьютера.

Бит — это очень маленькая порция информации. Поэтому так же как для изобра­жения десятичных чисел используется несколько десятичных разрядов — разряд единиц, разряд десятков, сотен и т. д., так и для изображения двоичных чисел и дво­ичных машинных кодов используется несколько двоичных разрядов, несколько бит.

Для хранения двоичных чисел в компьютере служит устройство, которое приня­то называть ячейкой памяти. Ячейки образуются из нескольких битов, так же как двоичные числа образуются из двоичных разрядов. А всю память компьюте­ра можно образно представить себе как автоматическую камеру хранения, со­стоящую из большого количества отдельных ячеек, в каждую из которых можно положить, записать некоторое двоичное число, двоичный машинный код.

В общем случае ячейки различных компьютеров могут состоять из различного количества битов. Однако это создает значительные сложности для организации обмена информацией между разными моделями компьютеров. Поэтому, начиная с машин третьего поколения, стандартными являются ячейки, которые состоят из восьми битов.

 

ВНИМАНИЕ

Элемент памяти компьютера, состоящий из 8 битов, называется байтом.

 

Слово «байт» произошло от английского термина byte, представляющего собой сокращение словосочетания BinarY TErm — двоичный терм, выражение. Байт сохраняет все свойства бита, то есть он может сколь угодно долго хранить за­писанный в него двоичный код, этот код можно прочитать, можно также запи­сать в байт любой новый код. Каждый из восьми битов байта может содержать любую из двоичных цифр независимо от остальных. Следовательно, байт может содержать произвольную комбинацию, последовательность из восьми нулей или единиц, например последовательность 10110011. Такую последовательность также называют двоичным числом, двоичным кодом либо просто кодом.

Условно бит изображают в виде квадратика, содержащего либо цифру «О», либо цифру «1», а байт рисуют в виде расположенных рядом восьми одинаковых квад­ратиков, каждый из которых содержит какую-либо двоичную цифру (рис. 2.1).

Запись двоичного кода легко спутать с аналогичным по записи десятичным чис­лом. Например, двоичный код 10110011 можно рассматривать и как «обычное» число «десять миллионов сто десять тысяч одиннадцать». В тех случаях, когда есть опасность спутать десятичное и двоичное числа, справа от двоичного числа записывают индекс 2, а справа от десятичного числа указывают индекс 10. Таким образом, 101100112 — двоичное число, а 1011001110 — десятичное. Для удобства восприятия десятичные числа в текстах на русском языке принято делить на группы по три цифры в каждой и отделять эти группы друг от друга пробелом — 10 110 01110. По аналогии с этим двоичные числа иногда также группируют, но по четыре цифры в группе — 1011 00112-

Так как байт состоит из восьми двоичных разрядов, то количество различных кодов, различных комбинаций из восьми нулей и единиц, записываемых в один байт, равно 28 = 256. Для перебора всех возможных комбинаций можно на­чать с кода, содержащего восемь нулей 0000 00002, следующим записать код 0000 00012, затем - 0000 00102, 0000 00112 и т. д. до кода, состоящего только из одних единиц 1111 11112. Всего таких комбинаций будет как раз 256.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Сведения об использовании шестнадцатеричной системы — еще одной широко ис­пользуемой в информатике системы счисления — для представления содержимого байта приведены в главе с дополнительными материалами (глава 12, дополнение 2.1)

При компьютерной обработке информации приходится иметь дело с текстовой, графической, числовой, звуковой и другой информацией. Для хранения данных различной природы применяются разные способы кодировки. Кроме того, для одной и той же разновидности информации также могут использоваться различ­ные способы кодировки, которые отличаются друг от друга эффективностью, а также различными требованиями к ресурсам компьютера.

 

ВНИМАНИЕ

Конкретный способ кодирования той или иной разновидности информации в ком­пьютере принято называть форматом данных.

 

В общем случае термин «формат» понимается как строго определенный, исчер­пывающе полный набор правил. Следовательно, в приведенном выше определе­нии речь идет об исчерпывающем наборе правил кодирования той или иной раз­новидности данных.

 

2.1.1. Текстовая информация

 

При хранении в компьютере любой текст (документ, статья, книга) рассматривает­ся как линейная последовательность символов. Причем промежутки между от­дельными словами также могут рассматриваться как некие специальные символы. Каждому символу из этой последовательности ставится в соответствие конкрет­ный двоичный код, состоящий из восьми двоичных разрядов. Таким образом, код каждого символа текста занимает ровно один байт памяти. Следовательно, текст целиком занимает столько байт памяти машины, из скольких символов он состоит.

Списки всех используемых при записи текстов символов и соответствующих им двоичных кодов образуют так называемые кодовые таблицы. В программирова­нии применяются различные кодовые таблицы. Одной из наиболее часто исполь­зуемых является кодовая таблица ASCII (American Standart Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией), кото­рая в настоящее время фактически стала общемировым стандартом. В таблицу входят коды строчных и заглавных латинских букв, коды для цифр, знаков препи­нания, различных математических символов, символов, которыми можно рисовать в текстах таблицы и т. д. А всего в ней зафиксированы коды для 128 различных символов. Список этих символов и соответствующие им восьмиразрядные (то есть состоящие из восьми двоичных разрядов) двоичные коды образуют основную (базовую) кодовую таблицу ASCII. Но, как было выяснено ранее, один байтможет содержать 256 различных двоичных кодов, состоящих из восьми бит. Это означает, что в стандарте ASCII задействована только половина возможных кодов. Имеются различные расширения основной кодовой таблицы ASCII, в которых задаются коды еще для 128 символов, в том числе для и символов различных на­циональных алфавитов. Фрагмент одного из расширений кодовой таблицы ASCII, включающий буквы русского алфавита — кириллицы, приведен в табл. 2.1.

В качестве примера кодировки получим машинный код текста, состоящего из одного слова «КОМПЬЮТЕР». Этот текст состоит из 9 символов, следователь­но, для его хранения требуется 9 байт памяти. Используя табл. 2.1, для каждого символа легко получить соответствующий ему двоичный код. Остается только за­писать найденные коды в группу подряд расположенных байтов памяти. В табл. 2.2 приведен полученный таким образом машинный код этого текста. В первой строке таблицы указаны порядковые номера байтов памяти, в которых записан текст, во второй — символы, из которых текст состоит, а в третьей — машинные, двоичные коды символов. Таким образом, текст «КОМПЬЮТЕР» в вычисли­тельной машине представлен двоичным кодом: «1000 1010 1000 1110 1000 1100 1000 1111 1001 1100 1000 1110 1001 0010 1000 0101 1001 00002».

 

ВНИМАНИЕ

Пробелы между четверками двоичных цифр вставляются только для удобства их восприятия, чтения человеком, и в память компьютера они, естественно, не записы­ваются.

 

Обратите внимание на то, что в табл. 2.1 приведены коды заглавных букв. Строч­ные буквы имеют другие коды. Например, код буквы «а» имеет вид 1010 00002, в то время как код буквы «А» — 1000 00002. Не случайно рассматриваемое слово записано именно в таком виде — машинный код слова «КОМПЬЮТЕР» отлича­ется от машинного кода слова «компьютер».

Знать кодовую таблицу наизусть не нужно. Только в очень редких случаях при­ходится пользоваться приведенными в ней кодами символов. Все необходимые преобразования от символов к их кодам и назад — от кодов к символам — произ­водятся машиной автоматически.

Однако необходимо помнить о том, что существует много различных кодовых таблиц и что различные программы могут использовать для записи текстов различ­ные кодовые таблицы. А в разных кодовых таблицах один и тот же код соответ­ствует разным символам. Так, например, двоичный код 1000 10102 соответствует символу «К» только в так называемой «ГОСТ-альтернативной» кодовой таблице. Именно ее фрагмент приведен в табл. 2.1. А в другой популярной кодовой таблице.

 

 

с названием Windows 1251 этот же двоичный код служит для обозначения сим­вола . Следовательно, текст, записанный какой-либо программой в одной кодовой таблице, может быть искажен при его чтении с помощью другой програм­мы. Если приведенный выше код слова «КОМПЬЮТЕР» попытаться прочитать с помощью программы, которая использует кодовую таблицу Windows 1251, то этот код будет представлен «словом»

Правомерно задать вопрос: «А зачем нужны различные кодовые таблицы, раз они могут приводить к такой путанице?». Дело в том, что если учесть все воз­можные буквы, встречающиеся в национальных алфавитах европейских стран, все возможные символы, которые встречаются в математических и других спе­циальных текстах, то двухсот пятидесяти шести символов, которые могут быть закодированы описанным выше способом, окажется явно мало. Поэтому и разра­ботано такое большое количество различных кодировочных таблиц.

В последнее время все шире используется кодовая таблица с названием UNICODE (UNIversal CODE — универсальный код), в которой для кода одного символа от­водится два байта, а не один, как в рассмотренных выше таблицах. Сразу же бро­сается в глаза очевидный недостаток этой кодировки — требуется ровно в два раза больше места в памяти, чем при записи в однобайтных кодировках. Так, для слова «КОМПЬЮТЕР» теперь потребуется восемнадцать байтов, а не девять, как это было ранее. Но в связи с тем, что память становится все более дешевой, этот недостаток становится все менее значимым. Кроме того, он с лихвой покры­вается очевидным преимуществом: с помощью двух байтов, то есть шестнадцати разрядов, можно закодировать 216 = 65 536 различных символов, а не 28 = 256 символов однобайтных кодировок. Такого количества различных символов впол­не достаточно для того, чтобы представить большинство из встречающихся во всевозможных текстах символов.

Использование кодовых таблиц для представления различных текстов в памяти компьютера решает только часть проблемы. Если более внимательно посмотреть на текст, скажем, в газете, журнале или книге, можно заметить, что практически любой текст содержит те или иные элементы оформления. Символы, из которых он состо­ит, могут иметь разные размеры и разное начертание. Они могут быть наклонными, подчеркнутыми, выделенными жирным шрифтом и т. д. По-разному могут быть оформлены абзацы и страницы текста. На странице могут находиться номера, ко­лонтитулы, сноски. Все эти, а также и многие другие элементы оформления текста при его записи в память компьютера также нуждаются в определенной кодировке.

Существует много различных текстовых форматов — конкретных способов ко­дирования символов текста и фиксации элементов его оформления.

 

ВНИМАНИЕ

Текстовый формат определяет одну или несколько кодовых таблиц, которые ис­пользуются для кодирования символов текста, а также полную совокупность воз­можностей и правил его оформления.

 

В частности, можно упомянуть общепринятый, «понятный» подавляющему боль­шинству работающих с текстами программ формат ТХТ (от слова text — текст). Этот формат основывается на одной из кодовых таблиц для представления сим­волов текста и практически не содержит никаких элементов его оформления. За­метим, что именно поэтому с данным форматом могут работать очень многие программы. Значительно более сложным, но также довольно популярным явля­ется формат RTF (Rich Text Format — богатый текстовый формат), который содер­жит совокупность стандартных возможностей по оформлению текстов. Подав­ляющее большинство используемых в современной практике возможностей по оформлению текстов включено в формат DOC (от слова document — документ).

 

2.1.2.  Числовая информация

 

В тех случаях, когда над числовыми данными приходится выполнять какие-либо математические операции, например сложение, вычитание, умножение и т. д., при­меняются особые принципы кодирования. Так, кодом целого положительного деся­тичного числа считается его запись в двоичной системе счисления, то есть равное ему двоичное число. Например, кодом десятичного числа +37 является двоичное число 0010 01012. Число +984 в машинном коде имеет вид 0000 011 1101 10012. Для перехода от десятичной системы счисления к двоичной и назад — от двоич­ной к десятичной — применяются довольно сложные специальные правила, на которых мы останавливаться не будем, так как в подавляющем большинстве ситуаций эти переходы осуществляются автоматически. А для работы с отрица­тельными целыми числами, а также для положительных и отрицательных дроб­ных чисел используются еще более сложные методы кодирования.

В случае кодирования числовой информации одного байта для записи числа, как правило, бывает недостаточно, так как с его помощью можно записать числа только из диапазона от 0 до 256 или же, при использовании более сложного способа коди­рования, от -128 до +127. Поэтому для записи чисел, не входящих в указанные диапазоны, используется несколько соседних байтов памяти. Обычно это один, два, четыре, восемь или десять байтов. Так, объединение двух байтов позволяет работать с числами от 0 до 65 535, а объединение четырех — с числами от 0 до 4 294 967 295.

 

2.1.3.  Графическая информация

 

Под графической информацией можно понимать рисунок, чертеж, фотографию, картинку в книге, изображения на экране телевизора или в кинозале и т. д. Для обсуждения общих принципов кодирования графической информации в качестве конкретного, достаточно общего случая графического объекта выберем изобра­жение на экране телевизора. Это изображение состоит из некоторого количества горизонтальных линий — строк. А каждая строка, в свою очередь, состоит из эле­ментарных мельчайших единиц изображения — точек, которые принято назы­вать пикселами (picsel — Picture's ELement — элемент картинки). Весь массив элементарных единиц изображения называют растром. Степень четкости изобра­жения зависит от количества строк на весь экран и количества точек в строке, ко­торые представляют разрешающую способность экрана, или просто разрешение.

Чем больше строк и точек, тем четче и лучше изображение. В настоящее время минимально допустимым считается разрешение 800 х 600, то есть 800 точек на строку и 600 строчек на экран.

Строки, из которых состоит изображение, можно просматривать сверху вниз друг за другом, как бы составив из них одну сплошную линию. После полного просмот­ра первой строки просматривается вторая, за ней третья, потом четвертая и т. д. до последней строки экрана. Этот процесс очень похож на принятый в большинстве стран мира способ чтения текстов, когда строчки просматриваются друг за другом слева направо и сверху вниз. Такой способ работы со строками называется строч­ной разверткой, или сканированием. А так как каждая из строк представляет со­бой последовательность пикселов, то все изображение, вытянутое в линию, также можно считать линейной последовательностью элементарных точек. В рассмат­риваемом случае эта последовательность состоит из 800 • 600 = 480 000 пикселов. Вначале рассмотрим принципы кодирования монохромного изображения, то есть изображения, состоящего из любых двух контрастных цветов — черного и белого, зеленого и белого, коричневого и белого и т. д. Для простоты обсуждения будем считать, что один из цветов — черный, а второй — белый. Тогда каждый пиксел изображения может иметь либо черный, либо белый цвет. Поставив в соответст­вие черному цвету двоичный код «0», а белому — код «1» (либо наоборот), мы сможем закодировать в одном бите состояние одного пиксела монохромного изо­бражения. А так как байт состоит из 8 бит, то на строчку, состоящую из 800 точек, потребуется 100 байтов памяти, а на все изображение — 60 000 байтов.

Однако полученное таким образом изображение будет чрезмерно контрастным. Реальное черно-белое изображение состоит не только из белого и черного цве­тов. В него входят множество различных промежуточных оттенков — серый, светло-серый, темно-серый и т. д. Если кроме белого и черного цветов использо­вать только две дополнительные градации, скажем светло-серый и темно-серый, то для того чтобы закодировать цветовое состояние одного пиксела потребу­ется уже два бита. При этом кодировка может быть, например, такой: черный цвет — 002, темно-серый — 012, светло-серый — 102, белый — 112.

Общепринятым на сегодняшний день, дающим достаточно реалистичные моно­хромные изображения считается кодирование состояния одного пиксела с помо­щью одного байта, которое позволяет передавать 256 различных оттенков серого цвета от полностью белого, до полностью черного. В этом случае для передачи всего растра из 800 х 600 пикселов потребуется уже не 60 000, а все 480 000 байтов.

Цветное изображение может формироваться различными способами. Один из них — метод RGB (от слов Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий), кото­рый опирается на то, что глаз человека воспринимает все цвета как сумму трех основных цветов — красного, зеленого и синего. Например, сиреневый цвет — это сумма красного и синего, желтый цвет — сумма красного и зеленого и т. д. Для получения цветного пиксела в одно и то же место экрана направляется не один, а сразу три цветных луча. Опять упрощая ситуацию, будем считать, что для кодирования каждого из цветов достаточно одного бита. Нуль в бите будет означать, что в суммарном цвете данный основной отсутствует, а единица — при­сутствует. Следовательно, для кодирования одного цветного пиксела потребуется 3 бита — по одному на каждый цвет. Пусть первый бит соответствует красномуцвету, второй — зеленому и третий — синему. Тогда код 1012 обозначает сирене­вый цвет — красный есть, зеленого нет, синий есть, а код 1102 — желтый цвет — красный есть, зеленый есть, синего нет. При такой схеме кодирования каждый пиксел может иметь один из восьми возможных цветов. Если же каждый из цве­тов кодировать с помощью одного байта, как это принято для реалистического монохромного изображения, появится возможность передавать по 256 оттенков каждого из основных цветов. А всего в этом случае обеспечивается передача 256 • 256 • 256 =16 777 216 различных цветов, что довольно близко к реальной чувствительности человеческого глаза. Таким образом, при данной схеме коди­рования цвета на изображение одного пиксела требуется 3 байта, или 24 бита па­мяти. Этот способ представления цветной графики принято называть режимом True Color (true color — истинный цвет) или полноцветным режимом.

Полноцветный режим требует очень много памяти. Так, для обсуждавшегося выше растра 800 х 600 при использовании метода RGB требуется 1 440 000 байтов. В целях экономии памяти разрабатываются различные режимы и графические форматы, которые немного хуже передают цвет, но требуют гораздо меньше памя­ти. В частности, можно упомянуть режим High Color (high color — богатый цвет), в котором для передачи цвета одного пиксела используется 16 битов и, следова­тельно, можно передать 65 535 цветовых оттенков, а также индексный режим, который базируется на заранее созданной для данного рисунка таблице исполь­зуемых в нем цветовых оттенков. Затем нужный цвет пиксела выбирается из этой таблицы с помощью номера — индекса, который занимает всего один байт памяти.

При записи изображения в память компьютера кроме цвета отдельных точек необходимо фиксировать много дополнительной информации — размеры рисунка, разрешение, яркость точек и т. д. Конкретный способ кодирования всей требуемой при записи изображения в память компьютера информации образует графиче­ский формат. Форматы кодирования графической информации, основанные на передаче цвета каждого отдельного пиксела, из которого состоит изображение, относят к группе растровых или BMP (Bit MaP — битовая карта) форматов.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Более подробные сведения о режимах цветовоспроизведения можно найти в главе с дополнительными материалами (глава 12, дополнение 2.2). Графические форма­ты обсуждаются в главе 8 пособия.

 

2.1.4. Аудио- и видеоинформация

 

Развитие способов кодирования звуковой информации, а также движущихся изо­бражений — анимации и видеозаписей — происходило с запаздыванием относи­тельно рассмотренных выше разновидностей информации. Приемлемые способы хранения и воспроизведения с помощью компьютера звуковых и видеозаписей

появились только в 90-х гг. XX в. Эти способы работы со звуком и видео полу­чили название мультимедийных технологий.

Звук представляет собой довольно сложное непрерывное колебание воздуха. Не­прерывные сигналы часто называют еще и аналоговыми. Оказывается, что такие непрерывные сигналы можно приближенно, но с достаточной точностью пред­ставлять в виде суммы некоторого числа простейших синусоидальных коле­баний. Причем каждое слагаемое, то есть каждая синусоида, может быть точно задано некоторым набором числовых параметров — амплитудой, фазой и часто­той, которые можно рассматривать как код звука в некоторый момент времени. Такой подход к записи звука называется преобразованием в цифровую форму, оцифровыванием или дискретизацией, так как непрерывный звуковой сигнал заменяется дискретным (то есть состоящим из обособленных, раздельных эле­ментов) набором значений сигнала — отсчетов сигнала — в некоторые последо­вательные моменты времени (рис. 2.2). Количество отсчетов сигнала в единицу времени называется частотой дискретизации. Так, на рис. 2.2 сигнал, длящийся 2 с заменяется 100 отсчетами (жирные точки на графике амплитуды сигнала). Следовательно, в данном случае частота дискретизации равна 50 Гц. В настоя­щее время при записи звука в мультимедийных технологиях применяются час­тоты 8, 11, 22, 44 кГц. Частота дискретизации 44 кГц означает, что одна секун­да непрерывного звучания заменяется набором из 44 тысяч отдельных отсчетов сигнала. Чем выше частота дискретизации, тем лучше качество оцифрованно­го звука. Заметим, что в последних разработках частота дискретизации дости­гает 192 кГц.

Качество преобразования звука в цифровую форму определяется не только час­тотой дискретизации, но и количеством битов памяти, отводимых на запись кода одного отсчета. Этот параметр принято называть разрядностью преобразования. В настоящее время обычно используется разрядность 8, 16 и 24 бит. На описанных выше принципах основывается формат WAV (от WAVeform-audio — волновая форма аудио) кодирования звука. Получить запись звука в этом формате можно от подключаемых к компьютеру микрофона, проигрывателя, магнитофона, теле­визора и других стандартно используемых устройств работы со звуком. Однако формат WAV занимает большой объем памяти (при записи стереофонического звука с частотой дискретизации 44 кГц и разрядностью 16 бит на одну минуту записи требуется около 10 миллионов байтов памяти).

Кроме волнового формата WAV, для записи звука широко применяется формат MIDI (Musical Instruments Digital Interface — цифровой интерфейс музыкаль­ных инструментов). Фактически, этот формат представляет собой набор инструк­ций, команд так называемого музыкального синтезатора — устройства, которое имитирует звучание реальных музыкальных инструментов. Получить запись звука в формате MIDI можно только от специальных электромузыкальных инструмен­тов, которые поддерживают интерфейс MIDI. Формат MIDI обеспечивает вы­сокое качество звука и требует значительно меньше памяти, чем формат WAV.

Кодирование видеоинформации еще более сложная проблема, чем кодирование звуковой информации, так как нужно позаботиться не только о дискретизации непрерывных движений, но и о синхронизации изображения со звуковым сопро­вождением. В настоящее время для этого используется формат, которой называ­ется AVI (Audio-Video Interleaved — чередующееся аудио и видео).

Основные мультимедийные форматы AVI и WAV очень требовательны к памя­ти. Поэтому на практике применяются различные способы компрессии, то есть сжатия звуковых и видеокодов. В настоящее время стандартными стали способы сжатия, предложенные MPEG (Moving Pictures Experts Group — группа экспер­тов по движущимся изображениям). В частности, стандарт MPEG-1 включает в себя несколько популярных в настоящее время форматов записи звука. Так, например, при записи в формате МРЗ при практически том же качестве звука требуется в десять раз меньше памяти, чем при использовании формата WAV. Существуют специальные программы, которые преобразуют записи звука из фор­мата WAV в формат МРЗ. Стандарт MPEG-2 описывает методы сжатия видео­записей, которые обеспечивают телевизионное качество изображения и стереозву­ковое сопровождение и имеют приемлемые требования к памяти. Относительно недавно (в 1999 г.) был разработан стандарт MPEG-4, применение которого по­зволяет записать полнометражный цветной фильм со звуковым сопровождением на компакт-диск.

Хотелось бы обратить внимание на один важный момент. Интерпретация, то есть истолкование смысла машинного кода, может быть самой разной. Один и тот же код разными программами может рассматриваться и как число, и как текст, и как изображение, и как звук. Другими словами, как именно трактуется, понимается тот или иной машинный код, определяется обрабатывающей этот код программой.

 

Контрольные вопросы к разделу 2.1

 

1.  Дайте определение понятию «архитектура компьютера».

2.  Охарактеризуйте основные группы устройств компьютера.

3.  Что называется интерфейсом?

4.   Что понимается под аппаратным обеспечением компьютера?

5.   Что называется системой счисления? Какие системы счисления используют­ся в компьютерах для кодирования информации?

6.   Что называется битом? Опишите его функции.

7.  Что называется байтом? Опишите его функции.

8.   Сравните между собой бит и байт. Чем они похожи и чем различаются?

9.   Какие разновидности информации могут быть записаны в памяти компьютера?

10.  Что называется форматом данных?

11.   Как в компьютерах кодируется текстовая информация?

12.   Для чего используются кодовые таблицы? Какие кодовые таблицы вам из­вестны?

13.   Какие текстовые форматы вам известны?

14.   Как в компьютерах кодируется графическая информация?

15.   Дайте определения понятиям «пиксел», «растр», «разрешающая способность», «сканирование».

16.   Охарактеризуйте графический формат BMP.

17.   Как производится переход от аналоговой формы сигналов к цифровой?

18.   Какие параметры характеризуют цифровую форму звука?

19.   Какие мультимедийные форматы данных вам известны?

 

2.2. Объем памяти

 

Важнейшей характеристикой памяти является ее объем. Объем памяти равен количеству байтов, из которых она состоит, и, следовательно, объем памяти из­меряется в байтах. Когда речь идет о характеристике некоторого участка цамяти, используется термин длина участка памяти. Длина участка памяти также изме­ряется в байтах, и понятия объем памяти и длина участка памяти представляют собой одну и ту же характеристику — количество байт, из которых состоит обсу­ждаемый объект.                                                                 

 

ПРИМЕЧАНИЕ

В дальнейшем изложении эти термины используются как эквивалентные.

 

Байт является основной единицей измерения объема памяти. Вместе с тем байт как единица объема представляет собой слишком маленькую величину, поэтому для указания объемов памяти различных устройств компьютера используется целый ряд кратных единиц. В вычислительных машинах основной системой счис­ления является двоичная, поэтому кратные единицы образуются с помощью так называемой двоичной тысячи, которая равна 210 = 1024. Первая кратная еди­ница называется килобайт (Кбайт, произносится «ка байт»). 1 Кбайт = 1024 байт.

ПРИМЕЧАНИЕ

Килобайтом эту единицу называют для упрощения, что не совсем правильно, так как килобайт должен был бы быть равным одной тысяче байтов, а не одной тысяче двадцати четырем.

 

Для наглядности значения кратных единиц приведены в табл. 2.3.

 

Для более наглядного представления этих единиц измерения объема можно сде­лать следующий расчет. На одной странице книги обычного формата размещает­ся примерно 2-3 тысячи символов, то есть для ее кодирования в формате ТХТ необходимо около 2-3 Кбайт машинной памяти. Таким образом, для хранения текста книги (без иллюстраций), состоящей из 500 страниц, необходимо пример­но 1-1,5 Мбайт. Для хранения всех художественных фильмов, созданных к на­стоящему времени в мире (по некоторым оценкам, 50 000 фильмов), требуется примерно 10 Пбайт памяти, а если использовать современные мультимедийные форматы, всего около 40 Тбайт.                                

 

2.3. Виды памяти в компьютере

 

В составе компьютера имеется несколько уровней, разновидностей памяти. Важ­нейшими для работы компьютера видами памяти являются оперативная память (ОП) и внешняя память (ВП).

 

2.3.1. Оперативная память

 

Этот уровень памяти компьютера подобен кратковременной памяти человека. Ко­гда человек сосредоточен на выполнении какого-либо дела — готовит пищу, совер­шает покупки, играет на музыкальном инструменте, управляет автомобилем, —он хорошо помнит все детали, подробности текущей ситуации, а также план вы­полняемой работы. После перехода к другой деятельности все это забывается, но в памяти возникают другой план и другие подробности.

 

ВНИМАНИЕ

Оперативной памятью называется устройство компьютера, предназначенное для хранения выполняющихся в текущий момент времени программ, а также всех дан­ных, необходимых для их выполнения.

 

Процессор компьютера имеет непосредственный доступ ко всей информации, которая находится в оперативной памяти, и именно поэтому программы, находя­щиеся в оперативной памяти, могут быть выполнены процессором, а данные, на­ходящиеся в оперативной памяти, могут быть по этим программам обработаны.

Из определения следует, что в оперативной памяти на стадии выполнения мо­гут одновременно находиться несколько программ. Кроме того, в оперативной памяти могут находиться как обрабатываемые, так и уже обработанные програм­мой данные.

Можно считать, что оперативная память представляет собой последовательность пронумерованных байтов. Каждый байт имеет свой собственный номер, который по аналогии с номерами домов на улице принято называть адресом. Содержи­мое любого байта памяти может обрабатываться независимым от остальных бай­тов образом. Указав адрес байта, можно прочитать код, который в нем записан, или занести, записать в этот байт какой-либо другой код. Поэтому оперативную память называют еще прямоадресуемой памятью, памятью с прямым доступом и обозначают RAM (Random Access Memory — память произвольного доступа). Для оперативной памяти используются еще и некоторые другие названия и обо­значения: оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), основная оператив­ная память (ООП), просто основная память (ОП).

Максимально возможный объем оперативной памяти, который иногда называют адресным пространством, и объем памяти, фактически присутствующий в соста­ве машины, являются важнейшими характеристиками данной модели в целом и конкретного экземпляра компьютера. Адресное пространство является величи­ной постоянной для данной модели, в то время как фактический объем опера­тивной памяти может у разных экземпляров быть разным, но он не может быть больше, чем адресное пространство для данной модели. У последних на сегодняш­ний день моделей персональных компьютеров семейства IBM PC максимально возможный объем оперативной памяти равен 64 Гбайт. Стандартным для совре­менных персональных компьютеров общего назначения (массовых ПК) считает­ся фактический объем оперативной памяти 128—256 Мбайт, а во многих случаях уже рекомендуется 256-512 Мбайт. По-видимому, в ближайшее время этот по­казатель может достигнуть уровня 1-2 Гбайт.

Отличительными особенностями оперативной памяти являются ее энергозави­симость и относительно высокая стоимость.

 

 ВНИМАНИЕ

Энергозависимость означает, что при отключении электропитания компьютера вся информация, которая хранится в оперативной памяти, безвозвратно теряется.

 

Кроме оперативной памяти в состав персонального компьютера входит родствен­ная ей кэш-память, или просто кэш (cache — запас, тайный склад или наличные, карманные деньги, то есть деньги, которые всегда «под рукой»). Это сверхбыст­рая память относительно небольшого объема — 128-512 Кбайт (в последних по времени разработках до 1-2 Мбайт). Иногда ее называют сверхоперативной па­мятью. По структуре и принципу работы кэш ничем не отличается от оператив­ной памяти. Однако скорость передачи данных при обмене с кэшем значительно выше, чем при обмене с оперативной памятью, но и стоит она дороже. Кэш исполь­зуется как промежуточное звено между процессором и оперативной памятью, которое обеспечивает повышение скорости вычислений. Дело в том, что процессор обрабатывает данные с очень большой скоростью, которая намного превышает скорость считывания и записи в оперативную память. Поэтому при совместной работе процессор будет простаивать, подстраиваясь под скорость оперативной памяти. Чтобы избежать этого, как раз и вводится промежуточный, скоростной уровень памяти — кэш, который обеспечивает значительное сглаживание разни­цы в скоростях работы процессора и оперативной памяти. В тот момент, когда процессору потребуются данные для обработки, он обращается не в «далекую» оперативную память, а в кэш-память, которая находится «под рукой», поближе. В современных машинах предусматривается до трех уровней кэш-памяти.

Можно упомянуть и еще один вид памяти компьютера — постоянную память, ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), или ROM (Read Only Memory — память только для чтения). Эта память отличается от оперативной тем, что запись информации в ПЗУ осуществляется только один раз на заводе-изготовителе. И в дальнейшем из этой памяти возможно только чтение. Кроме того, при отклю­чении электропитания данные, записанные в ПЗУ, сохраняются. Постоянная па­мять используется для хранения наиболее важных и часто используемых слу­жебных программ, которые осуществляют проверку работы отдельных устройств компьютера (тестирование), а также выполняют постоянно используемые опера­ции по обмену данными между клавиатурой, монитором и памятью компьютера. Этот комплекс программ образует базовую систему ввода-вывода, или сокра­щенно BIOS (Base Input Output System — базовая система ввода-вывода).

В современных компьютерах оперативная память, а также кэш и ПЗУ реализо­ваны на интегральных, больших или сверхбольших интегральных схемах, кото­рые отличаются от больших схем еще большей плотностью монтажа и, соответ­ственно, заменяют миллионы транзисторных элементов.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Более подробные сведения об оперативной памяти можно найти в главе с дополни­тельными материалами (глава 12, дополнение 2.3).

 

2.3.2. Внешняя память

 

Этот уровень памяти компьютера похож на вспомогательные средства, исполь­зуемые человеком для долговременного хранения важных сведений, — записные книжки, всевозможные справочники, фотографии, звукозаписи, кинопленки, ви­деозаписи и т. д. Такие носители информации естественно считать внешними по отношению к «внутренней» памяти, «находящейся» в голове человека.

 

ВНИМАНИЕ

Внешней памятью называется группа устройств, которые предназначены для дол­говременного хранения больших массивов информации — программ и данных.

 

Внешнюю память компьютера, или ВЗУ (внешние запоминающие устройства),

можно представлять себе как значительный по объему информационный склад, где программы и данные могут храниться годами до тех пор, пока они не потре­буются. Несмотря на то что, фактически, эти устройства находятся внутри корпу­са персонального компьютера, для их обозначения используется термин «внеш­няя память», так как это сложилось исторически.

Процессор, то есть устройство, обеспечивающее задаваемую программой обра­ботку данных, не имеет непосредственного доступа к внешней памяти. Поэтому программа, находящаяся во внешней памяти, не может в ней выполняться, а дан­ные не могут быть каким-либо образом обработаны. В этом и состоит самое главное функциональное отличие внешней памяти от оперативной. Во внешней памяти программы и данные хранятся в «нерабочем состоянии», а в оперативной про­граммы и данные хранятся во время выполнения (и только во время выполне­ния) программ. Для того чтобы выполнить какую бы то ни было программу, ее сначала нужно «взять со склада» — найти на внешнем устройстве и перенести в оперативную память, где она и сможет выполняться. Аналогичным образом, чтобы обработать данные, физически находящиеся во внешней памяти, их нуж­но сначала перенести в оперативную память.

 

ВНИМАНИЕ

Перенос программы из внешней памяти в оперативную называется загрузкой про -           граммы, а инициирование (начало) ее выполнения называют запуском программы

или передачей управления этой программе.

 

Важнейшей особенностью внешней памяти является ее энергонезависимость. Это означает, что информация хранится в ней независимо от того, включено или выключено электропитание компьютера. Кроме того, внешняя память гораздо дешевле и имеет значительно большие объемы по сравнению с оперативной. Но скорость передачи данных при обмене с внешними запоминающими устройства­ми значительно меньше, чем у оперативной памяти.

В настоящее время в качестве внешней памяти в основном используются гибкие магнитные, жесткие магнитные и оптические диски.

 

2.3.2.1. Гибкие диски

 

Гибкий магнитный диск (ГМД или дискета) представляет собой гибкую лавса­новую пластинку, диск диаметром 3,5 дюйма, что примерно равно 9 см (точнее, 89 мм, 1 дюйм равен 2,54 см). Обычно такие диски называют трехдюймовыми. Пластинка покрыта с одной или двух сторон специальным веществом, хорошо сохраняющим состояние намагниченности (примерно таким же, какое нанесено на ленты бытовых магнитофонов). Стороны диска, на которые нанесено магнит­ное покрытие, называются рабочими поверхностями. У гибкого диска могут быть одна или две рабочие поверхности. Каждая рабочая поверхность имеет собствен­ный номер.

Для предохранения магнитного покрытия рабочих поверхностей диска от слу­чайного разрушения пластина упаковывается в жесткий пластиковый защитный чехол, который практически полностью закрывает рабочие поверхности диска (рис, 2.3). У нижнего торца защитного чехла диска имеется переключатель защиты от записи. В нижнем положении переключателя (как на рис. 2.3) включается защита диска от записи. Это означает, что запись новой информации на диск не­возможна. Кроме того, невозможно уничтожить (стереть) уже имеющуюся на диске информацию. В верхнем положении переключателя защита от записи вы­ключена, могут производиться как запись, так и стирание информации. Защита от записи обычно включается для того, чтобы предотвратить случайное уничто­жение хранящейся на диске важной информации, а также для защиты от компь­ютерных вирусов (см. раздел 6.2).

Для работы с гибкими дисками в компьютере предусмотрены устройства, кото­рые называются дисководами гибких магнитных дисков, или FDD (floppy disk drive). На передней панели дисковода имеется щель, в которую вставляется диске­та. При этом отодвигается подвижная металлическая шторка, закрывающая в не­рабочем состоянии щель доступа головок чтения/записи информации к рабочим поверхностям дискеты (см. рис. 2.3). Головки чтения/записи могут перемещать­ся вдоль радиуса диска от его внешней границы к центру и назад (рис. 2.4). Сама пластинка вращается со скоростью порядка 300 об./мин.

Для ориентации диска на лицевой поверхности чехла, на стороне противополож­ной срезу, имеется стрелка, направленная к верхнему торцу (см. рис. 2.3). Диск должен располагаться верхним торцом к щели дисковода, при этом срез чехла должен находиться справа. Для того чтобы вставить дискету в дисковод, надо акку­ратно продвинуть ее в щель дисковода до упора (защелкивания). Чтобы вынуть ее из дисковода, следует нажать кнопку, расположенную ниже щели дисковода.

Обсудим немного более подробно хранение информации на дисках. На рабочие поверхности дисков наносятся концентрические дорожки1 (см. рис. 2.4). Количе­ство дорожек на рабочей поверхности диска зависит от разных факторов: от диа­метра, материала, из которого изготовлен магнитный слой, и т. д. Все дорожки каждой из поверхностей пронумерованы. Каждая дорожка диска разбивается на участки, которые принято называть секторами. Сектор на диске в процессе чте­ния/записи информации играет примерно такую же роль, как и байт в оператив­ной памяти.

 

ВНИМАНИЕ

Чтение и запись информации на диски осуществляются не отдельными байтами, как в оперативной памяти, а сразу целым сектором или группой секторов.

 

В стандартном случае сектор имеет объем 512 байт. Фактически, в настоящее время принят только один стандарт для гибких дисков, в котором предусмотре­но использование двух рабочих поверхностей на пластине: на каждой пластине 80 дорожек и на каждой дорожке 18 секторов. Объем диска в этом случае равен 512 • 2 • 80 • 18 байт, что составляет 1 474 560 байт или 1 440 Кбайт, что немного боль­ше, чем 1,4 Мбайт. На практике не совсем точно указывают, что объем трехдюй­мовой дискеты равен 1,44 Мбайт (неявно подразумевая, что 1 Мбайт равен в точ­ности 1000 Кбайт).

 

ПРИМЕЧАНИЕ

В конце 2000 г. фирма Panasonic разработала дисководы стандарта FD32MB, кото­рые позволяют записывать на стандартную трехдюймовую дискету 32 Мбайт дан­ных или программ.

 

Секторы на дорожке, так же как и дорожки, нумеруются. Таким образом, чтобы однозначно указать какой-либо сектор на диске, нужно задать три числа: номер рабочей поверхности, номер дорожки на ней и номер сектора на дорожке. Этот набор из трех номеров называется физическим адресом сектора.

Первый сектор, расположенный на нулевой дорожке нулевой поверхности дис­ка, принято называть начальным, стартовым, загрузочным или boot-сектором.

Он играет особую роль в работе персональных компьютеров. В частности, он со­держит исчерпывающую характеристику самого диска: количество рабочих по­верхностей на диске, количество дорожек на одной поверхности и количество секторов на одной дорожке. Кроме того, в этом секторе находится специальная программа-загрузчик, которая осуществляет загрузку операционной системы — основной программы, управляющей всей работой компьютера.

Первоначальная подготовка дискет к работе, во время которой на ее рабочие по­верхности наносится система дорожек и секторов, выполняется специальными программами и называется форматированием, инициализацией или разметкой.

Гибкие диски являются сменными носителями информации. Это значит, что за счет смены дисков в дисководах на такие носители можно записать неограничен­но много информации, хотя объем каждого отдельного взятого диска относи­тельно мал. С помощью гибких дисков удобно переносить небольшие порции информации с одного компьютера на другой.

 

ВНИМАНИЕ

Сменные носители информации, в частности гибкие диски, можно представлять себе как своеобразный «портфель», в котором переносят самые разные документы, фотографии, чертежи, звуко- и видеозаписи.

 

2.3.2.2. Оптические диски

 

Кроме дисководов для работы с гибкими дисками в состав персональных компь­ютеров обычно включаются устройства для работы с оптическими (лазерными) дисками, которые имеют диаметр 5,25 дюйма (133 мм). Оптические диски, как и гибкие, относятся к сменным носителям информации.

Простейшей разновидностью компакт-дисков являются CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory — память только для чтения на компакт-дисках) со следую­щим принципом записи информации. Двоичные коды записываются на поликар­бонатную основу в виде углублений (ямок) и ровных участков, расположенных внутри концентрических или спиралевидных дорожек диска. Этот рельеф наносит­ся на диск при его изготовлении на заводе механическим путем. Отсюда следу­ет основной недостаток CD-ROM — невозможность записывать на них новую информацию. Считывание информации происходит с помощью лазерного луча, который с огромной скоростью пробегает вдоль дорожек единственной рабочей поверхности диска. Собственно, по способу считывания информации диски и на­зываются оптическими или лазерными. К достоинствам CD-ROM можно отнести: низкую стоимость самих дисков, относительно большую емкость — 600-800 Мбайт, а также их надежность и долговечность (теоретически до 100 лет), которые значи­тельно превосходят соответствующие характеристики гибких дисков.

Дисковод для оптических дисков называют лазерным проигрывателем или так же, как и используемый диск, — CD-ROM. При включении в состав персональ­ного компьютера дисковод CD-ROM приобретает права одного из сменных дис­ковых устройств.

Существенный недостаток CD-ROM — невозможность выполнения записи при их использовании — был устранен в дисках WORM (Write Once/Read Many -однократная запись, множественное считывание), которые имеют и более рас­пространенное название CD-R (Compact Disk Recordable — записываемый ком­пакт-диск). На диски этого типа можно записать информацию как и на обычную гибкую дискету — прямо на компьютере, но только один раз, а чтение может производиться произвольное количество раз. Для использования этой техноло­гии требуются специальные диски и дисководы, которые стоят дороже чем CD-ROM. Запись на диски CD-R, которые принято называть заготовками (или бол­ванками), производится с помощью воздействия высокотемпературного лазер­ного луча на особый светочувствительный слой диска (цианин зеленого цвета или пталоцианин желто-оранжевого цвета), который как бы «выгорает» под этим воздействием. Понятно, что такую «запись» можно выполнить только один раз.

Существуют дисководы, позволяющие выполнять многократную перезапись на компакт-диски. Для этого требуются диски типа CD-RW (Compact Disk ReWriteable — перезаписываемые компакт-диски). По своим размерам, объему и внешнему виду диски CD-RW ничем не отличаются от дисков CD-R и CD-ROM. Но принцип записи информации на диски CD-RW совершенно другой. На метал­лической (или иной) основе находится рабочий слой из специального материала (сплав серебра, индия, сурьмы и теллура), который под влиянием лазерного луча изменяет свое состояние, переходит из кристаллического состояния в аморф­ное или наоборот. Причем такой переход из одного состояния в другое может быть выполнен многократно. Этот процесс и обеспечивает возможность много­кратной перезаписи информации на диски CD-RW. Участки с кристаллическим и аморфным состоянием по-разному отражают свет. Это обеспечивает возможность чтения информации, записанной на диск описанным выше способом. По-види­мому, в ближайшее время CD-RW постепенно вытеснят другие типы внешних запоминающих устройств аналогичной емкости.

Рассмотренные выше оптические диски имеют объем 600-800 Мбайт, что, в прин­ципе, не очень много, если иметь в виду уровень современных требований к внеш­ним запоминающим устройствам. Поэтому были разработаны способы записи информации, которые позволяют при том же самом диаметре диска 5,25 дюйма разместить на нем гораздо больше данных и программ. В частности, можно упомя­нуть разработанный в 2000 г. стандарт DDCD (Double Density CD — компакт-диск двойной плотности), который обеспечивает возможность записи на стан­дартный компакт-диск 1,3 Гбайт данных.

Гораздо большие возможности по записи информации предоставляет использо­вание хорошо известных любителям видео DVD-дисков (Digital Versatile Disk — цифровой многосторонний, универсальный диск). Запись информации на диски DVD производится на нескольких слоях, которые размещаются на одной и той же рабочей поверхности. Кроме того, для записи используется упоминавшийся выше мультимедийный формат MPEG-2, поэтому объем дисков достигает 17-27 Гбайт. В настоящее время используются в основном DVD-ROM, хотя уже появились и однократно (DVD-R) и многократно записывающие (DVD-RW) устройства и диски.

Можно также упомянуть и совсем недавнюю разработку фирмы Constallation 3D — FMD-ROM (Fluorescent Multilayer Disk — флуоресцентный многослой­ный диск), в которой предложено на рабочей поверхности пятидюймового диска размещать до ста рабочих слоев общей емкостью 150 Гбайт.

В недалеком будущем в качестве сменных носителей информации, скорее всего, будут использоваться все три группы дисков — гибкие трехдюймовые диски (большого объема, например, 32 Мбайт, иначе они будут вытеснены другими носителями), а также многократно записываемые пятидюймовые CD-RW, DVD-RW (или какие-либо другие носители), которые должны удовлетворять различ­ным уровням требований к объему дисков: десятки и сотни мегабайт, десятки и сотни гигабайт.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Более подробные сведения об оптических дисках можно найти в главе с дополни­тельными материалами (глава 12, дополнение 2.4).

 

2.3.2.3.  Внешние дисководы большой емкости

 

По меркам сегодняшнего дня емкость стандартных дискет 1,44 Мбайт считается недостаточной для выполнения основных функций — временного хранения информации и ее переноса между компьютерами. Существует несколько вариан­тов внешних, мобильных дисководов большой емкости. Это означает, что пере­носить нужно не только диск, но и сам дисковод. В частности можно упомянуть популярные модели Iomega ZIP, Iomega JAZ и ORB Drive. Эти устройства работа­ют со сменными дисками собственных форматов (их часто называют ZIP-диски) объемом от 100 Мбайт до 2 Гбайт и имеют скорость обмена до 10-20 Мбайт/с. Стоимость ZIP-дисков достаточно высока, но если учесть их большую емкость, то использование внешних дисководов оказывается значительно выгоднее, чем стандартных трехдюймовых дисков.

 

2.3.2.4.  Магнитные ленты

 

По сравнению с магнитными и оптическими дисками магнитные ленты, которые также относятся к группе сменных носителей, являются очень дешевым средст­вом хранения информации. Принцип записи информации на магнитную лентув компьютерах ничем не отличается от используемого в бытовых кассетных маг­нитофонах. Существенным недостатком использования магнитных лент для хране­ния информации является большое время обмена с лентой. С появлением CD-R, а тем более CD-RW и DVD необходимость в использовании магнитных лент как архивных носителей постепенно исчезает.

 

2.3.2.5. Жесткие диски

 

Кроме сменных дисковых устройств, в состав персональных компьютеров вклю­чается постоянный, несъемный диск. Обычно его называют жестким магнитным диском — ЖМД, HDD (Hard Disk Drive — привод жесткого диска), или винче­стером.

 

ВНИМАНИЕ

В связи с тем, что жесткий диск является несменным, в отличие от переносного «портфеля» — гибкого диска, его можно представлять себе как стационарный «шкаф» для хранения документации.

 

Винчестер на самом деле является пакетом дисков, который состоит из несколь­ких (от 2 до 10) металлических пластин — дисков, закрепленных на общей оси и жестко соединенных с механизмом вращения дисковода. Вся группа дисков размещена в герметичном корпусе, из которого откачивается воздух. Такая конст­рукция позволяет значительно увеличить плотность записи информации и, следо­вательно, увеличить объем диска. Современные винчестеры имеют объем от не­скольких десятков до нескольких сотен гигабайт. По-видимому, в ближайшее время этот показатель может возрасти до величины равной нескольким терабайтам.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Недавно ученые из университета штата Нью-Йорк в Буффало и Национального научного общества США создали устройства, которые способны определять маг­нитное поле в сотни раз более слабое, чем это было возможно до сих пор. Одним из результатов применения подобных разработок может стать повышение емкости жестких дисков в компьютерах до нескольких сотен петабайт (то есть до сотен ты­сяч терабайт).

Заметим, что отмеченная выше аналогия: гибкий диск — «портфель», а жесткий диск — «шкаф» — правильно передает соотношение объемов у этих устройств. Объем жесткого несъемного диска во много раз больше объема переносного «портфеля» — гибкого диска.

Все диски пакета вращаются одновременно, причем особенности конструкции вин­честерских дисков позволяют существенно увеличить не только объем, но и ско­рость вращения всего пакета дисков (в настоящее время — 7200-10 000 об./мин), а следовательно, и скорость передачи информации.

Обмен данными для жестких дисков организуется так же, как и для гибких дис­ков, с помощью одной головки чтения/записи на одну рабочую поверхность. Рабочие поверхности винчестера, как и рабочие поверхности гибкого диска, состоят из дорожек и секторов. Для повышения скорости выполнения операций чтения и записи на жестких дисках несколько подряд расположенных секторов одной и той же дорожки объединяют в группы, которые называют кластерами. Обмен информацией, то есть либо чтение, либо запись, для любого диска всегда осуществляется отдельными кластерами, а не отдельными секторами. Кластер состоит из целого числа секторов — одного, двух, четырех, восьми и т. д. Конкрет­ное количество секторов, входящих в кластер, зависит от используемых аппа­ратуры и программ. В частности, кластер на гибких дисках объемом 1,44 Мбайт состоит из одного сектора, а кластеры на современных жестких дисках состоят из 32, 64 и более секторов.

В принципе, в состав компьютера можно включить несколько жестких дисков. Но на практике персональный компьютер чаще всего оснащен только одним винчестером. Для удобства организации работы с данными предусмотрена воз­можность имитировать наличие в составе компьютера нескольких жестких дис­ков, разделив реально включенный в состав компьютера диск на ряд участков, каждый из которых ведет себя как самостоятельный диск. Такие участки реаль­ного диска принято называть логическими дисками.

Каждое из дисковых устройств, включенных в комплект персонального компьюте­ра, имеет собственное обозначение, которое состоит из одной буквы английского алфавита и двоеточия. Обычно в состав компьютера включают один дисковод для гибких дисков, который всегда обозначают А:. Жесткий диск, независимо от наличия или отсутствия дисковода для гибких дисков, всегда принято назы-. вать С:. Если в составе компьютера имеются дополнительные реальные или ло­гические жесткие диски, дисководы для CD-ROM, CD-R, CD-RW или DVD, то для их обозначения используются следующие по алфавиту буквы английского алфавита — D:, E:, F: и т. д.

 

Контрольные вопросы к разделам 2.2 и 2.3

 

1.  Что считается объемом памяти? В каких единицах он измеряется?

2.  Дайте определение кратным единицам объема.

3.  Оцените объем памяти, который требуется для хранения черно-белой и цвет­ной фотографий размером 10x15 см. От каких факторов зависит этот объем?

4.  Какие виды памяти используются в персональном компьютере?

5.  Для чего нужна оперативная память? Охарактеризуйте ее отличительные особенности.

6.  Для чего нужна внешняя память? Охарактеризуйте ее отличительные осо­бенности.

7.  Сравните между собой оперативную и внешнюю память.

8.  Дайте определения понятиям «загрузка» и «пуск» программы.

9.  Охарактеризуйте накопители на гибких магнитных дисках.

10. Дайте определения понятиям «рабочая поверхность», «дорожка», «сектор», «кластер».

11.   Как определить объем магнитного дискового носителя информации?

12.  Для чего нужно форматирование магнитных дисков?

13.   Охарактеризуйте накопители на оптических дисках.

14.   Что представляют собой внешние дисководы?

15.   Охарактеризуйте магнитные ленты.

16.   Охарактеризуйте накопители на жестких магнитных дисках.

17.   Сравните между собой гибкие магнитные, жесткие магнитные диски и опти­ческие диски.

18.   Сколько может быть дисковых устройств в персональных компьютерах? Как они обозначаются?

 

2.4. Процессор

 

Еще одна основная функция компьютера — обработка данных, осуществляемая по заранее заданной человеком программе. Эта функция выполняется устройством, которое называется процессор (process — обрабатывать), иногда центральный про­цессор (ЦП) или CPU (Central Processing Unit — центральный обрабатываю­щий блок, устройство), а в персональных компьютерах — еще и микропроцессор.

 

ВНИМАНИЕ

Процессором называется основное устройство компьютера, которое обеспечивает задаваемую программой обработку данных.

 

Физически микропроцессор представляет собой созданный по специальной тех­нологии кристалл кремния общей площадью 1-3 см2. Этот кристалл содержит огромное количество логических элементов, эквивалентных транзисторам. На­пример, процессор типа Pentium 4 содержит 42 миллиона таких элементов. Их размер очень мал. В настоящее время у большинства микропроцессоров он равен 0,13-0,18 мкм, и уже имеются 0,09-микронные микропроцессоры.

Основная функция процессора складывается из двух компонентов — собственно действия по обработке данных и управления последовательностью выполнения таких действий. Процессор вычислительной машины «умеет» выполнять опре­деленный набор простейших, элементарных действий по обработке информации. Весь набор действий, которые могут быть выполнены процессором, называется системой команд данного процессора.

 

ВНИМАНИЕ

Процессоры разных машин обладают различными системами команд. Система ко­манд процессора, фактически, определяет модель компьютера.

 

Например, возможности входящего в состав обычного микрокалькулятора «процес­сора» очень ограниченны. Его система команд состоит из небольшого количествакоманд. Так, у самого простого арифметического калькулятора система команд состоит из четырех команд: вычисление суммы, разности, произведения и част­ного от деления двух чисел. А в так называемых инженерных микрокалькулято­рах система команд шире, с их помощью можно выполнять достаточно сложные инженерные расчеты — вычислять логарифмы, синусы, запоминать одно или несколько чисел, участвующих в вычислениях, и т. д. Процессоры некоторых со­временных персональных компьютеров обладают системой команд, содержащей свыше 1000 различных команд

Указание процессору на выполнение одного из элементарных действий называ­ется машинной командой. Конкретная последовательность машинных команд, которая обеспечивает необходимую обработку информации, образует програм­му, записанную на уровне машинного языка. Машинные команды, а следова­тельно, и любая их последовательность, образующая ту или иную программу, так же как и любая другая информация в компьютерах, определенным образом кодируются последовательностями двоичных цифр. Например, действие закрепле­ния единичного значения за какой-либо величиной (i:=l), которое встретилось в рассмотренном в дополнительных материалах к главе 2 алгоритме, может быть задано машинной командой с кодом 1011 0001 000 00012. А встретившееся там же действие увеличения текущего значения величины на единицу (i:=i+l) может быть записано в виде команды с машинным кодом 1111 1110 1100 00012. Конкрет­ные последовательности таких кодов образуют программы в их «естественном» машинном виде. Это именно тот способ записи программ, который «понимает­ся» процессором. Программы, представленные именно в таком виде, выполняют­ся процессором компьютера. Все остальные способы записи программ являются промежуточными, или вспомогательными.

Оказывается, что решение любой сколь угодно сложной задачи по обработке данных (если она может быть решена в принципе) складывается из таких про­стейших действий, которые могут быть заданы машинными командами. Нужно только до мельчайших подробностей, до уровня машинных команд, разработать алгоритм решения задачи. Другими словами, необходимо определить, в какой последовательности и над какими данными процессор должен выполнять коман­ды. Именно в форме машинных команд вынуждены были писать свои програм­мы программисты, работавшие с машинами первого поколения.

Затем были разработаны специальные алгоритмические языки, такие как Фор­тран, Алгол-60, Паскаль, Си и целый ряд других. Алгоритмы решения задач по об­работке данных на этих языках записываются в более привычном для человека виде, в терминах специально подобранных слов и обозначений, которые обеспе­чивают алгоритму все необходимые для него свойства (однозначность, конечность и т. д.). Пример программы (точнее, ее фрагмента) на языке Паскаль приведен на рис. 12.2 в главе с дополнительными материалами.

Алгоритм, записанный на одном из алгоритмических языков, также называется программой. Затем специальные программы — трансляторы (translate — перево­дить) — осуществляют автоматический перевод текста алгоритма на машинный язык, на уровень двоичных кодов. Полученная таким образом машинная про­грамма уже может быть выполнена процессором.

Для ускорения выполнения машинных команд в процессоре предусмотрен еще один вид памяти — регистровый. Регистр — это устройство для кратковременно­го хранения информации в процессе ее обработки. Еще раз обращаем внимание на то, что регистры входят в состав процессора, а -не образуют отдельное устрой­ство. Регистр может хранить один или несколько символов, число, код машин­ной команды, какой-нибудь адрес оперативной памяти. Регистры представляют собой самый быстродействующий вид памяти, но процессор имеет всего несколь­ко десятков регистров.

Схема выполнения программы процессором довольно проста. Процессор по оче­реди (начиная с первой) выбирает (читает) из оперативной памяти машинные команды, из которых состоит программа.

 

ВНИМАНИЕ

Напоминаем, что программа, которую нужно выполнить, должна находиться в опе­ративной памяти!

 

Прочитав очередную команду, процессор по ее коду определяет, какое именно действие должно быть выполнено (сложение, умножение, сравнение и т. д.) и где взять данные, которые должны быть обработаны (над которыми должно быть выполнено заданное действие). Затем указанные данные считываются из опера­тивной или регистровой памяти и над ними выполняется нужное действие. Да­лее процессор, если это определено в команде, записывает результат обработки назад в оперативную или регистровую память. После чего цикл выполнения ко­манды повторяется — вновь считывание очередной команды из оперативной па­мяти, ее расшифровка, выполнение действий, запись результата и т. д. Этот цикл работы процессора выполняется до обнаружения в программе специальной ко­манды, предписывающей процессору прекращение действий по выполнению данной программы.

Процессоры вычислительных машин характеризуются рядом параметров. Основ­ными считаются тактовая частота и длина машинного слова. Кратко рассмотрим эти характеристики. Компьютер состоит из различных устройств, и для выпол­нения любой программы эти устройства должны работать согласованно. Можно провести аналогию между компьютером и оркестром, состоящим из ряда музы­кальных инструментов. Для того чтобы оркестр смог исполнить какую-либо мело­дию, музыканты должны играть синхронно друг с другом. В оркестре функцию синхронизации игры музыкантов выполняет дирижер, который в определенном ритме делает взмахи дирижерской палочкой. Точно такую же роль играет в компь­ютере генератор тактовых импульсов, который с определенной периодичностью вырабатывает специальные сигналы — тактовые импульсы, поступающие на все остальные устройства компьютера и таким образом синхронизирующие их работу.

 

ВНИМАНИЕ

Количество тактовых импульсов, вырабатываемых тактовым генератором в секун­ду, называется тактовой частотой компьютера.

 

Тактовая частота различных процессоров может изменяться в широких преде­лах. Процессор выполняет каждую машинную команду программы за определен­ное число тактов. Скажем, операция сложения в ее простейшем варианте выпол­няется за два такта. А вот операция деления может занять и 25 тактов. Таким образом, можно сделать следующий вывод: чем выше тактовая частота, тем бы­стрее работает компьютер. В настоящее время персональные компьютеры рабо­тают с тактовыми частотами от сотен мегагерц до нескольких гигагерц. Можно ожидать появления в недалеком будущем микропроцессоров с тактовой часто­той порядка 10 ГГц. Однако следует заметить, что, согласно теоретическим оцен­кам, микропроцессоры, выполненные по современным технологическим под­ходам, не смогут превзойти частоты 30-40 ГГц.

Как мы только что выяснили, скорость работы — быстродействие — компьюте­ра тесно связана с его тактовой частотой и определяется количеством команд (операций), выполняемых компьютером за одну секунду. Одновременно мы вы­яснили, что быстродействие зависит и от выполняющейся программы, от того, какие команды — сложения или, скажем, деления — в ней преобладают. Поэто­му быстродействие определяют на специальных тестовых программах. Эта ха­рактеристика, в силу ее зависимости не только от процессора, но и от програм­мы, в настоящее время используется довольно редко.

Вычислительная мощность компьютера определяется также количеством байтов, которые могут быть одновременно обработаны процессором. Чем больше это ко­личество, тем больше информации в единицу времени может быть обработано.

 

ВНИМАНИЕ

Машинным словом называется наибольшая группа байтов, которая может быть об­работана процессором за один машинный такт. Количество байт в машинном слове называется длиной машинного слова.

 

Разные модели машин имеют машинные слова, содержащие различное число байтов. В настоящее время типичные длины машинных слов 4 и 8 байтов. Длина машинного слова довольно часто выступает в качестве основной характеристики архитектуры компьютера. Так, если машинное слово состоит из 1 байта, то есть из 8 битов, то говорят: «восьмибитная архитектура», «восьмибитный компью­тер». А если из 2 байтов, то есть из 16 битов, то говорят: «шестнадцатибитная архитектура», «шестнадцатибитный компьютер» и т. д.

 

2.5. Материнская плата

 

Плата — это обычно прямоугольная пластина, используемая для монтажа необ­ходимых электрических цепей и имеющая специальные разъемы для крепления микросхем памяти, процессора и т. д. В составе компьютера имеется много раз­личных плат, которые обеспечивают выполнение тех или иных функций, — мате­ринская плата, звуковая плата, видеоплата и т. д.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Заметим, что в разговорной речи термин «плата» иногда заменяется термином «карта». Так например, вместо названия «видеоплата» может быть использован термин «видеокарта».

 

Основные интегральные схемы компьютера размещены на так называемой мате­ринской плате (motherboard). Это основная плата компьютера, а называется она материнской, потому что предназначена для крепления всех его основных уст­ройств — центрального процессора, модулей оперативной памяти и т. д. Именно эти устройства определяют модель и основные технические характеристики компьютера. Кроме того, на материнской плате имеется ряд стандартных разъе­мов, к которым можно подсоединять другие устройства компьютера (магнитные диски, дисплей, клавиатуру) и тем самым подбирать его конкретный аппаратный состав — конфигурацию, исходя из потребностей и пожеланий пользователя. Возможные конфигурации компьютера определяются материнской платой, на которой они реализуются.

 

2.6. Шина

 

Во время выполнения программы процессор постоянно обращается к оператив­ной памяти. Он выбирает из оперативной памяти команды программы и обраба­тываемые данные, а также записывает в память результаты их обработки. Для передачи всей этой информации процессор и оперативная память соединяются между собой пучком (жгутом) проводов. По каждому проводу жгута передается только один бит информации. Контроль над правильностью передачи информа­ции по проводам обеспечивают специальные электронные схемы.

 

ВНИМАНИЕ

Комплекс, состоящий из пучка проводов и электронных схем, обеспечивающих правильную передачу информации внутри компьютера, называют магистралью, системной шиной или просто шиной.

 

Иногда, когда хотят подчеркнуть, что речь идет об отдельной части магистрали, по которой передаются адреса байтов оперативной памяти, говорят «адресная шина». А когда говорят о части шины, отвечающей за передачу содержимого этих байтов, применяют название «шина данных».

Число проводов в шине называется ее разрядностью. Разрядность адресной шины определяет максимально возможный для данной машины объем адрес­ного пространства, то есть максимально возможный объем оперативной памяти. Так, например, при двадцатичетырехразрядной адресной шине объем адресно­го пространства равен 224 байт (16 Мбайт), а при тридцатишестиразрядной 236 байт (64 Гбайт).

Шина связывает между собой не только процессор и оперативную память, фак­тически, все устройства компьютера — диски, клавиатура, дисплей и т. д. — так или иначе принимают и передают данные через шину (рис. 2.5). Для этого в шине предусмотрены стандартные разъемы, к которым подключаются те или иные устройства компьютера. Стандартный разъем шины иногда называют портом.

В современных компьютерах предусмотрено несколько специализированных шин, которые соединяют друг с другом оперативную память и процессор, процессор и дисплей и т. д. Такая схема обеспечивает существенное повышение мощности и эффективности работы компьютера. Специализированные шины, входящие в состав современного компьютера, отличаются друг от друга не только разряд­ностью, но и еще одной важнейшей характеристикой — скоростью обмена, кото­рую у шин называют еще и пропускной способностью. От разрядности и скоро­сти обмена зависят тип и количество устройств компьютера, которые могут быть подсоединены к той или иной шине.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Более подробные сведения о шинах, используемых в современных компьютерах можно найти в главе с дополнительными материалами (глава 12).

 

2.7. Системный блок

 

Все рассмотренные выше устройства персонального компьютера, а также устрой­ства электропитания и встроенный динамик объединяют в один общий корпус, который называется системным блоком.

Существуют различные по размерам и по исполнению корпуса: вертикальные (tower) и горизонтальные, настольные (desktop). На лицевой панели системного блока размещаются: кнопка включения электропитания (Power — мощность), кнопка перезапуска (Reset — перезагрузка), ряд сигнальных лампочек и панели управления различных дисковых устройств. На задней панели находятся стан­дартные разъемы — порты для крепления всевозможных дополнительных уст­ройств и устройств ввода-вывода. Все внутреннее устройство системного блока также основано на креплении различных стандартных плат (в том числе мате­ринской) к стандартным стойкам и разъемам. Такая схема, характерная для пер­сональных компьютеров семейства IBM PC, позволяет «собирать» компьютер из различных стандартно оформленных устройств.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Полная характеристика устройств, включенных в состав системного блока, указы­вается при его продаже с помощью специальной формулы — сокращенного услов­ного обозначения, расшифровку которого можно найти в главе с дополнительными материалами (глава 12, дополнение 2.6).

 

Контрольные вопросы к разделам 2.4-2.7

1.   Что называется процессором? Опишите его основные функции.

2.  Дайте определения понятиям «система команд», «машинная команда», «ма­шинная программа».

3.   Опишите основные технические характеристики процессоров.

4.   Как связаны между собой быстродействие и тактовая частота процессора?

5.  Для чего нужен тактовый генератор?

6.  Для чего предназначены платы персонального компьютера?

7.   Какие платы используются в персональных компьютерах?

8.  Для чего необходима материнская плата?

9.   Для чего нужна шина?

10.   Из каких элементов состоит шина?

11.   Какие технические характеристики используются для описания шины?

12.   Что определяется разрядностью и пропускной способностью шины?

13.   Что такое порт компьютера?

14.   Сколько шин может быть в компьютере?

15.   Нарисуйте схему устройства персонального компьютера.

16.  Для чего нужен системный блок?

17.   Какие разновидности системных блоков используются?

18.   Какие устройства компьютера находятся в системном блоке?

19.   Что находится на лицевой панели системного блока?

20.   Что находится на задней панели системного блока?

 

2.8. Устройства ввода-вывода

 

К этой группе устройств относятся: дисплей, клавиатура, манипулятор мышь, принтер и целый ряд других. Как уже отмечалось ранее, устройства этой группы служат для ввода — передачи информации от человека к основным устройствам компьютера (оперативной памяти, процессору) или вывода — передачи инфор­мации от основных устройств компьютера к человеку. Другие устройства этой группы обеспечивают обмен информацией между двумя и более различными компьютерами или между компьютерами и какими-либо другими измеритель­ными устройствами или исполнительными механизмами.

 

2.8.1. Дисплей

 

Одним из важнейших устройств, применяющихся для вывода информации, яв­ляется дисплей, или монитор. Дисплеи бывают монохромные и цветные. Кроме того, различают алфавитно-цифровые и графические дисплеи.

У алфавитно-цифровых дисплеев группа пикселов, занимающая небольшую прямоугольную область экрана и используемая для размещения изображения одного символа, образует знакоместо. У алфавитно-цифровых дисплеев отсутст­вует возможность работать с отдельным пикселом. Информация выводится на экран целым знакоместом, символом. Поэтому такие дисплеи могут использо­ваться только для вывода различного рода текстов.

Графические дисплеи отличаются тем, что из программы можно управлять со­стоянием отдельного пиксела, и, следовательно, для них доступны все возмож­ности формирования изображения.

Наиболее важными техническими характеристиками дисплеев являются: прин­цип действия, размер экрана по диагонали, разрешающая способность, размер «зерна» экрана, частота регенерации.

По принципу действия основными на сегодняшний день являются мониторы с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), или CRT (Cathode Ray Terminal — мо­нитор на катодно-лучевой трубке), и жидкокристаллические (ЖК), или LCD-дисплеи (Liquid-Crystal Display — жидкокристаллический дисплей). Принцип действия мониторов с электронно-лучевой трубкой в точности такой же, как в бы­товых телевизорах. Эти мониторы отличаются сравнительно большими габарита­ми, прекрасной цветопередачей и невысокой стоимостью. Жидкокристаллические мониторы отличаются малой толщиной и плоским экраном. Но стоимость их пока выше, чем у мониторов с электронно-лучевой трубкой. Различают жидкок­ристаллические мониторы с так называемой активной матрицей — более каче­ственные и более дорогие и мониторы с пассивной матрицей — с более бледным изображением и с более заметными следами от смены кадров, но примерно на треть более дешевыми, чем с активной матрицей. В последнее время появились так называемые плазменные мониторы, обладающие высоким качеством форми­руемого изображения и значительными размерами — до 1 м и более по диагона­ли при толщине всего 10 см.

Большое значение имеет размер экрана по диагонали (в сантиметрах или дюй­мах). В настоящее время выпускаются мониторы с экранами от 9 до 42 дюймов (от 23 до 107 см). Наиболее распространенными являются экраны с размером 15, 17, 19 и 21 дюймов. Естественно, что чем больше размер экрана, тем выше стои­мость дисплея. Для стандартных целей достаточно 17-дюймового экрана. При большом объеме работы с графикой желательно выбирать 19- или 21-дюймовые мониторы.

Важной характеристикой дисплеев является рассмотренная ранее разрешающая способность экрана, определяющая степень четкости изображения. Она зависит от количества строк на весь экран и количества пикселов в строке. В настоя­щее время существует несколько стандартных разрешений, которые существеннозависят от фактического размера экрана. Например, для 17-дюймового монитора стандартным считается разрешение 1024 х 768, а максимальным может быть растр 1600 х 1200. Здесь первое число указывает количество пикселов в строке, а второе — количество строк на экран. Отметим, что у мониторов на электронно­лучевой трубке разрешающая способность выше и может достигать 2048 х 1536, в то время как у лучших жидкокристаллических мониторов она пока значитель­но ниже — до 1280 х 1024. Попутно заметим, что у телевизионных приемников наилучшим на сегодняшний день считается разрешение 1024 х 768.

Качество изображения определяется не только разрешающей способностью, но и так называемой зернистостью экрана, которая определяется как фактический линейный размер пиксела или же как расстояние между двумя соседними пиксе­лами. Этот параметр у большинства мониторов равен 0,24-0,28 мм. Чем меньше зернистость, тем лучше, но и дороже монитор.

Следующей характеристикой дисплеев является частота регенерации (обновле­ния), или частота кадров, которая показывает, сколько раз в секунду обновляется изображение на экране. Если частота кадров меньше 60 Гц, то есть если обновле­ние происходит менее чем 60 раз в секунду, то появляется мерцание изображе­ния, что отрицательно сказывается на зрении. В настоящее время частота регене­рации большинства мониторов составляет 60-100 Гц, а стандартной считается частота 85 Гц.

С точки зрения техники безопасности работы с мониторами, необходимо учи­тывать класс защиты монитора, который определяется международными стан­дартами. В настоящее время действует стандарт ТСО-99, выдвигающий самые жесткие требования к безопасному для человека уровню электромагнитных из­лучений, эргономическим и экологическим параметрам, а также к параметрам, определяющим качество изображения, — яркости, контрастности, мерцанию, антибликовым и антистатическим свойствам покрытия экрана монитора.

В современных компьютерах для создания изображения на экране дисплея необ­ходим еще один компонент, который называют видеоплатой, видеокартой или видеоадаптером.

 

ВНИМАНИЕ

Адаптером называется устройство, служащее для сопряжения, соединения между собой устройств с разными способами представления информации.

 

Видеоадаптер вместе с монитором образуют видеоподсистему компьютера. Имен­но видеоадаптер определяет разрешающую способность монитора и количество передаваемых цветовых оттенков. Существует несколько стандартных типов адап­теров. В частности, можно упомянуть адаптеры CGA (Color Graphics Adapter -цветной графический адаптер), EGA (Enhanced Graphics Adapter — улучшенный графический адаптер) и VGA (Video Graphics Array — видеографический мас­сив), которые уже устарели и практически вышли из употребления. Адаптеры типа CGA могли передавать только 4 цвета, типа EGA — 16 цветов, а типа VGA — 256 цветов. В настоящее время в основном используются дисплеи типаSVGA (Super Video Graphics Array — супервидеографический массив), способ­ные передавать 16,7 миллиона цветовых оттенков. Для обеспечения такого коли­чества цветов, а также хорошего разрешения видеоадаптеры содержат собствен­ную видеопамять довольно большого объема (16-32 Мбайт).

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Кроме адаптеров для соединения, сопряжения различных устройств компьютера используются еще и так называемые контроллеры, которые по своим функциям похожи на адаптеры, однако в отличие от последних не только служат для передачи сигналов, но и берут на себя часть действий по управлению устройством.

 

Чтобы освободить процессор компьютера от действий с изображениями и тем самым существенно ускорить их построение, а также повысить общую эффек­тивность работы компьютера, современные видеоадаптеры берут на себя значи­тельную часть необходимых математических операций. При этом часть работы по формированию изображения возлагается на аппаратные средства — микро­схемы видеоускорителя, которые могут входить в состав видеоадаптера или размещаться на отдельной плате, подсоединяемой к адаптеру. Различают два типа видеоускорителей: плоские — 2D (2-dimension — двухмерный) и трех­мерные — 3D (З-dimension — трехмерный). Требования современных видеоадап­теров, особенно с аппаратным ускорением, уже не удовлетворяются стандартны­ми шинами компьютера. Поэтому для них разработаны специализированные шины, получившие название AGP (Advanced Graphic Port — улучшенный гра­фический порт).

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Для характеристики дисплеев при их продаже также используется условная специ­альная формула, пример которой можно найти в главе с дополнительными мате­риалами (глава 12, дополнение 2.7).

 

2.8.2. Клавиатура

 

Для ввода первичной информации в компьютер, а также для управления его ра­ботой используется клавиатура. Клавиатуру вместе с дисплеем (а иногда и толь­ко клавиатуру) называют консолью.

В настоящее время клавиатуры подавляющего большинства персональных компь­ютеров унифицированы и выполнены в стандартах 101/102-, 104/105- или 108-клавишных клавиатур. На рис. 2.6 приведена схема 108-клавишной клавиатуры.

Клавиатура компьютера может работать в одном из нескольких режимов, ко­торые принято называть регистрами. Различают следующие режимы: ввода прописных (заглавных, больших)/строчных (маленьких) букв; ввода русских/ латинских букв; вставки/замены; цифрового ввода/управления из цифровой клавиатуры. Режимы ввода русских/латинских букв называют раскладкой кла­виатуры.

Все клавиши клавиатуры можно разделить на четыре группы: алфавитно-циф­ровые, цифровые, функциональные и управляющие. Клавиши алфавитно-цифровой группы служат для ввода первичной текстовой информации. Цифровая I группа находится на правом участке клавиатуры. Клавиши этой группы удобно использовать для ввода больших массивов числовой информации. Функцио­нальные клавиши F1-F12 занимают самый верхний ряд клавиатуры. Значение каждой из них определяется выполняющейся в момент нажатия клавиши программой и, как правило, связывается с выполнением некоторой последователь­ности действий. Например, во многих программах нажатие клавиши F1 приво­дит к выдаче оперативной подсказки. Последнюю, четвертую группу, образуют, клавиши управления. Они размещены по периметру алфавитно-цифровой группы, а также между алфавитно-цифровой и цифровой группами.

Для объяснения назначения некоторых клавиш потребуются понятия текстово­го курсора (или просто курсора) и прокрутки. При вводе нажатие клавиши ал­фавитно-цифровой или цифровой клавиатур приводит не только к записи кода символа, соответствующего нажатой клавише, в оперативную память машины. Одновременно с записью в память с целью визуального контроля правильности ввода на экране в текущем знакоместе появляется изображение данного симво­ла. Это знакоместо отмечается значком специальной формы — курсором.

 

ВНИМАНИЕ

Текстовым курсором называется значок, отмечающий позицию вывода на экран . дисплея очередного символа текста.

 

После размещения изображения введенного символа в текущей позиции экрана курсор автоматически перемещается в соседнюю позицию. При достижении кон­ца строки курсор перемещается в начало следующей. После заполнения послед­ней позиции последней строки экран оказывается полностью заполненным тек­стом. Если после этого продолжить процесс ввода текста, начнется прокрутка содержимого экрана. Это значит, что самая верхняя строка текста будет вытесненаза пределы экрана и станет невидимой. На ее место переместится текст, находив­шийся до этого на второй сверху строке. Место второй строки займет третья и т. д., до самой последней строки. После перемещения текста последней строки на предпоследнюю позицию нижняя строка освободится от старого текста и бу­дет готова к приему новых символов текста. Заметим, что вытеснение изображе­ния первой строки с экрана не означает, что происходит уничтожение соответст­вующего текста в памяти машины. В общем случае обрабатываемый текст может целиком не помещаться в выделенной для его просмотра области экрана либо на всем экране. При необходимости просмотра других участков текста, находящих­ся за пределами экрана или области, производится перемещение текста вверх, вниз, вправо или влево таким образом, чтобы нужный участок попал на экран или в нужную область экрана. Прокрутка может осуществляться автоматически или по указаниям пользователя

 

ВНИМАНИЕ

Прокруткой называется такое перемещение изображения, при котором место види­мого на экране участка занимают другие, ранее не видимые его участки.

 

Ниже рассматриваются наиболее часто используемые управляющие клавиши клавиатуры, а также описывается их основное назначение. Для удобства обсуж­дения пронумеруем горизонтальные ряды клавиатуры, начиная с самого верхне­го ряда. Этот ряд мы будем считать первым.

□  Esc — крайняя левая клавиша первого ряда. Чаще всего служит для отмены каких-либо заданных ранее действий.

□  Tab (табуляция) — первая слева клавиша третьего ряда. Используется при вводе данных в различные таблицы, когда строка разбивается на участки, от­водимые под графы таблицы. Нажатие клавиши Tab приводит к перемеще­нию курсора в первую позицию следующей графы. Данная клавиша позво­ляет выравнивать все графы таблицы по левому краю. Может применяться и для других целей, например для перехода от одного объекта к другому.

□  CapsLock — фиксация регистра. Первая слева клавиша четвертого ряда (на рис. 2.6 обозначена CL). Служит для переключения клавиатуры между верхним и нижним регистрами, то есть между режимами ввода прописных и строчных букв. Для индикации текущего режима клавиатуры в верхнем ряду справа имеются три лампочки, Num Lock, Caps Lock, Scroll lock, сигнализирующие об установленном режиме работы клавиатуры.

□  Shift — переключение регистра. Для удобства ввода информации клавиату­ра содержит две клавиши Shift. Обе они находятся в пятом ряду. Одна — крайняя слева, а вторая — крайняя,справа в алфавитно-цифровой группе. В отдельных случаях, в зависимости от выполняющейся программы, роли правой и левой клавиш Shift могут быть разными. Основное назначение кла­виш Shift — кратковременное переключение между верхним и нижним ре­гистрами. Кроме переключения между регистрами клавиша Shift часто ис­пользуется в так называемых сочетаниях клавиш для изменения основного значения другой клавиши клавиатуры.

 

ВНИМАНИЕ

Сочетанием клавиш, или клавиатурной комбинацией, называется одновременное нажатие двух или более клавиш клавиатуры.

 

Сочетание клавиш обозначается знаком + между нажимаемыми одновремен­но клавишами, например, Shift+F4. Вначале нажимается и удерживается кла­виша, указанная первой.

□   Клавиатура содержит также две клавиши Ctrl. Одна — крайняя левая, а дру­гая — крайняя правая самого нижнего, шестого ряда алфавитно-цифровой группы. Обе клавиши Ctrl используются в сочетаниях клавиш для изменения основного значения других клавиш клавиатуры.

□   Alt (alternate — запасной, дополнительный) — дополнение. Клавиатура содер­жит и две клавиши Alt. Используются в сочетаниях клавиш для изменения ос­новного значения других клавиш клавиатуры.

□   Клавиши с надписью «Windows» служат для вызова так называемого основно­го меню (см. раздел «Меню» в 4 главе). На них изображен фирменный знак Я операционной системы Windows. Имеются не на всех клавиатурах.

□   Клавиша «Контекст» служит для вызова так называемого динамическо- q го меню (см. раздел «Меню» в 4 главе). На ней изображен знак меню. В* Имеется не на всех клавиатурах.

□   Spacebar — пробел. Служит в основном для включения в текст пробела.

□   Enter — пуск. Как правило, нажатие этой клавиши является признаком завер­шения ввода различного рода команд компьютеру и инициирует начало вы­полнения запрошенных в команде действий.

□   Backspace — возврат на шаг. Второй сверху ряд, правый край алфавитно-циф­ровой группы, над клавишей Enter (на рис. 2.6 обозначена длинной стрелкой). Служит для стирания символа, находящегося слева от текстового курсора.

□   Insert — вставка/замена. Используется для переключения между режимами вставки и замены. В режиме вставки вновь вводимые символы будут «раз­двигать» старый текст, сдвигая его символы вправо. В режиме замены проис­ходит стирание имеющихся символов текста и замена их вновь вводимыми.

□   Delete — удаление. Служит для стирания символа, на который указывает кур­сор. Удерживая клавишу Delete в нажатом состоянии, можно стереть последо­вательность символов.

□   Ноте — переход в начало строки (на рис. 2.6 обозначена Нт). Основное на­значение — быстрое перемещение курсора из любого положения внутри стро­ки в ее начало.

□   End — переход в конец строки. Основное назначение — быстрое перемещение курсора из любого положения внутри строки в ее конец.

□   Page Up (page — страница, up — выше) — переход на количество строк, со­ставляющих одну страницу экрана, или же в зависимости от выполняющейся программы в начало экранной страницы (на рис. 2.6 обозначена PUp).

 

ВНИМАНИЕ

Группа строк текста, занимающая весь экран целиком, называется экранной стра­ницей.

 

□  Page Down (на рис. 2.6 обозначена PDn). Основное назначение — быстрое пе­ремещение курсора вниз по тексту на количество строк, составляющих одну страницу экрана, или же к конечной строке экранной страницы.

□  Клавиши управления текстовым курсором (направлений) — клавиши с изо­бражением стрелок ←,→,↓,↑. Удержание любой из клавиш направлений в на­жатом состоянии приводит к непрерывному перемещению курсора в соответ­ствующем стрелке направлении.

□  Print Screen (на рис. 2.6 обозначена PS). Используется для вывода содержимо­го экрана дисплея на печать, то есть для получения бумажной копии находя­щегося на экране изображения, а также для так называемого «фотографиро­вания» экрана.

□  Scroll Lock — блокировка прокрутки. Пример использования — программа обработки электронных таблиц MS Excel (см. главу 9).

□  Pause (на рис. 2.6 обозначена РВ). Служит для временного прекращения вы­полнения какой-либо программы.

□  Num Lock — блокировка режима цифрового ввода (на рис. 2.6 обозначена NL). Клавиши цифровой группы могут использоваться в двух режимах — режиме цифрового ввода и режиме управления.

Перечисленные ниже клавиши имеются только на 108-клавишных клавиатурах:

□  Power (на рис. 2.6 обозначена PW) — служит для выключения электропитания компьютера;

□  Sleep (на рис. 2.6 обозначена SI) — служит для перехода в так называемый ждущий режим (см. раздел 5.2.6);

□  Wake иногда WakeUp (на рис. 2.6 обозначена WU) — служит для восстановле­ния нормального режима работы компьютера.

 

2.8.3. Манипулятор «мышь»

 

Это очень простое и удобное устройство ввода служит для управления работой программ и для ввода простейших видов графической информации — рисунков, чертежей и т. д. Мышь имеет плоское дно и обычно овальную, по форме руки, верхнюю крышку с двумя или тремя кнопками. Кроме кнопок, на верхней крыш­ке иногда располагается ролик, который можно легко вращаться одним пальцем. Манипулятор обычно подсоединяется к компьютеру с помощью провода. Доволь­но часто можно встретить и беспроводные мыши, использующие для передачи управляющих сигналов инфракрасные лучи Исполнительный механизм мыши преобразует перемещения ее корпуса в электрические сигналы, которые передают­ся в машину и определяют текущее положение на экране дисплея специальногозначка, который принято называть указателем мыши (не путать с текстовым курсором!). Перемещая мышь по поверхности стола, можно совместить указатель мыши с любой точкой на поверхности экрана. Нажатие на одну из кнопок мыши, а также некоторые другие приемы работы с кнопками позволяют задавать вы­полнение тех или иных действий или вычерчивать какие-либо рисунки. Враще­ние ролика (если он есть) позволяет прокручивать содержимое экрана. В боль­шинстве случаев работа с мышью значительно эффективнее, проще и нагляднее управления с помощью клавиатуры.

 

2.8.4. Принтер

 

Обычно результаты выполнения программ выводятся на экран дисплея, однако такая форма вывода результатов обладает серьезным недостатком — недолговеч­ностью хранения изображения на экране. Для получения результатов работы программ на бумаге служит печатающее устройство — принтер. Наиболее важ­ные характеристики принтеров:

□   тип принтера — точечно-матричный, струйный или лазерный, возможность работы с цветом;

□   ширина каретки;

□   разрешение при печати;

□   скорость печати;

□  эксплуатационные расходы.

 

Существенной характеристикой любого принтера является ширина каретки, оп­ределяющая максимальные размеры — формат документа, который может быть напечатан на данном принтере.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Размер газеты в развороте двух листов размером 840 х 1188 мм принят в нашей стране как основа для стандартных форматов. Этот формат принято обозначать АО. Остальные форматы образуются от основного последовательным делением боль­шего размера на два. Так, формату А1 соответствуют размеры 594 х 840 мм (две газетные страницы — один лист бумаги), формату А2 — размеры 420 х 594 мм, фор­мату A3 — 297 х 420 мм, А4 — 210 х 297 мм и т. д. до формата А10 с размерами 26 х 37 мм; В качестве стандартного размера листа бумаги для делопроизводства в нашей стране принят лист формата А4.

 

Документы форматов А2 и A3 могут быть подготовлены только на принтерах с широкой кареткой. Документы формата А4 и меньше могут быть напечатаны и на принтере с узкой кареткой

При печати графики важной характеристикой является разрешение при печати, которое измеряется числом точек, печатаемых на одном дюйме, — dpi (dots per inch — точки на дюйм). Эта характеристика очень похожа на разрешающую спо­собность мониторов, только речь идет о формировании изображения на бумаге, а не на экране монитора. Скорость печати определяется как количество полностью отпечатанных листов в единицу времени, обычно в минуту.

Весьма важной характеристикой принтера является стоимость его эксплуата­ции — эксплуатационные расходы. Современные принтеры обычно используют для выполнения печати специальное съемное устройство — картридж. Внутри него размещается красящая лента или расходуемое при печати вещество: черни­ла или специальный порошок — тонер (tone — тон, оттенок). Используемые при печати красящие ленты, чернила, тонеры, бумагу и т. д. называют расходными материалами. Эксплуатационные расходы включают в себя: стоимость картрид­жа, стоимость печати одного листа и стоимость заправки картриджа тонером (или замены ленты в картридже). Кроме того, обычно указывается количество листов, которые можно напечатать с одной заправки картриджа.

Используемые в настоящее время принтеры по принципу действия можно раз­делить на три группы — точечно-матричные, струйные и лазерные.

Печатающие головки точечно-матричных принтеров содержат группу (матри­цу) иголок, которые, выдвигаясь из головки в определенных комбинациях и уда­ряя по красящей ленте, оставляют на бумаге изображение символа. Принтеры этой группы могут печатать со скоростью (при черновой печати) от 180 до 400 и выше символов в секунду. Они могут печатать не только текст, но и графику. При этом характерным является разрешение 360 х 360 dpi. Некоторые модели позволяют печатать в цвете, а также сразу несколько копий документа, однако качество цветной печати невысокое. Кроме того, матричные принтеры обладают высокой шумностью при печати. Точечно-матричные принтеры имеют сравни­тельно низкую собственную цену и невысокую стоимость расходных материа­лов — красящих лент, картриджей, бумаги.

Печатающие головки струйных принтеров имеют несколько форсунок, капил­лярных сопел, через которые на бумагу выстреливаются мельчайшие капельки чернил разных цветов. Количество сопел может быть большим — 64 и выше. Таким образом, на бумаге получается цветное точечное изображение высокого качества. Струйные принтеры обладают хорошим качеством вывода цветных и графических изображений. Разрешение при печати достигает 720 х 720 dpi. Однако скорость печати у струйных принтеров невысокая — от нескольких де­сятков секунд до двух минут на печатаемую страницу. Принтеры этой группы достаточно дороги и сложны в эксплуатации, так как требуют специального ухода за соплами, засыхание чернил в которых приводит к полному выходу из строя пишущего узла принтера. Вместе с тем стоимость самих струйных принте­ров относительно невысока.

Лазерные принтеры используют электрографический способ печати документов. Для них характерны высокая скорость (до 30 и более страниц в минуту) и высо­кое, сравнимое с полиграфическим, качество печати. Разрешающая способность при печати достигает 1440 х 1440 dpi. В настоящее время лазерные черно-белые принтеры примерно в 1,5-2 раза дороже цветных струйных. Цветные лазерные принтеры все еще очень дороги.

2.8.5. Другие устройства ввода-вывода

 

В состав персонального компьютера, кроме вышеперечисленных наиболее часто используемых устройств, могут быть включены и некоторые другие устройства для обмена данными.

Похожий на свойственный мыши принцип действия имеет устройство, которое называется джойстик. Изменения в положении ручки джойстика соответствуют изменениям в положении корпуса манипулятора мышь. Существуют и специали­зированные разновидности джойстиков, предназначенные для имитации в игро­вых программах действий по управлению автомобилем или самолетом.

Трекбол — еще одно похожее на мышь устройство. Представляет собой стацио­нарно устанавливаемый корпус, на верхней поверхности которого имеется ша­рик, приводимый в движение рукой. Используется в ноутбуках.

Пенмаус похож на шариковую ручку, на рабочем конце которой находится узел, регистрирующий ее перемещения.

Для ввода в память машины изображений разработано устройство под названи­ем сканер. Сканер используется для передачи в память машины чертежей, фото­графий, иллюстраций и т. д. Оптическое устройство сканирует изображение, просматривая его узкими горизонтальными полосками, и сформированный ска­нером машинный код этого изображения передается в память. Для совместной работы со сканером разработаны программы, позволяющие не только передавать в память машины изображение печатного или рукописного текста, но и распозна­вать этот текст. Такой текст можно не только факсимильно (от лат. fac simile — делай подобное), то есть точно, без изменений воспроизводить на экране или на бумаге, но и работать с ним, как с текстом, набранным с помощью клавиатуры. Например, можно проверить его синтаксическую правильность, отредактировать или преобразовать в форму печатного документа.

Основными характеристиками сканеров являются: возможность работы с цве­том, разрешающая способность, измеряемая, как и у принтеров, в единицах dpi — числе точек, различаемых сканером на одном дюйме, и формат листа — А2, A3 или А4. Разрешение сканеров измеряется в пределах от 300 до 4800 dpi. В неко­торых случаях разрешение по горизонтали и вертикали у сканера отличаются друг от друга, и тогда разрешающая способность указывается двумя значениями, например, 300 х 600 dpi.

Кроме сканеров для ввода графической информации применяются устройства под названием дигитайзеры (графические планшеты). В основе их действия ле­жит фиксация положения специального пера относительно планшета или экра­на дисплея. В последнем случае перо называется световым. Дигитайзеры могут быть использованы художниками для создания всевозможных рисунков, иллюстра­ций без промежуточного нанесения на бумагу или иной традиционный носитель.

Для подготовки на бумаге различного рода конструкторских документов, черте­жей, графиков, рисунков существуют специализированные устройства — графо­построители, или плоттеры. Они позволяют работать с документами очень боль­ших форматов, создавать многоцветные изображения и т. д.

В последнее время все шире используются цифровые фотоаппараты и цифро­вые видеокамеры, которые формируют изображение сразу в цифровом виде, что позволяет легко передавать информацию с таких устройств в память компьютера.

Для обеспечения возможности работы со звуком в мультимедийной среде к аппара­туре персонального компьютера предъявляются определенные требования. Эти требования сформулированы в стандарте МРС (Multimedia Personal Computer). В частности, в комплект машины должны входить акустические стереоколонки, микрофон и звуковой адаптер (звуковая плата, звуковая карта), который свя­зывает различные акустические устройства с компьютером. Кроме микрофона, ввод может быть осуществлен с любого создающего звук устройства — магнито­фона, проигрывателя, телевизора и т. д.

В настоящее время существуют устройства, распознающие голос человека и «по­нимающие» сказанные им фразы. Имеются также и устройства, синтезирующие человеческую речь.

Для обеспечения надежного электропитания компьютеры иногда оснащаются так называемыми ограничителями напряжения, которые сглаживают резкие скач­ки напряжения в сети до приемлемого уровня. В этих же целях используются и источники бесперебойного питания, которые при внезапном отключении элек­тропитания автоматически подключают на некоторое время автономное питание и позволяют сохранить за этот период результаты текущей работы.

 

Контрольные вопросы к разделу 2.8

 

1.  Охарактеризуйте назначение устройств ввода-вывода.

2.  Что называется дисплеем? Опишите классификацию дисплеев.

3.  Какие технические характеристики используются для описания дисплеев?

4.  Как классифицируются дисплеи по принципу действия?

5.  Назовите типовые размеры экранов дисплеев, используемых в настоящее время.

6.  Что определяет разрешающая способность? Какова разрешающая способность у современных дисплеев?

7.  Что определяет класс защиты дисплея?

8.  Для чего нужны адаптеры?

9.  Назовите основные режимы работы клавиатуры.

10.  Для чего нужны функциональные клавиши?

11.  Что называется сочетанием клавиш?

12.  Что называется текстовым курсором?

13.  Объясните, как происходит прокрутка текста.

14.  Что называется экранной страницей?

15.  Опишите основные способы перемещения текстового курсора.

16.  Для чего нужна мышь?

17.  Укажите основные технические характеристики и разновидности принтеров.

18.   Сравните между собой принтеры различных принципов действия.                  

19.   Что определяет разрешение при печати? Какое разрешение характерно для   современных принтеров?                                                                                

20.  Для чего нужен сканер? Укажите технические характеристики сканеров.        

21.   Какие еще аналогичные по назначению устройства вам известны?                   

22.   Какие устройства должны входить в состав компьютера, чтобы он мог рабо­тать в мультимедийной среде?

 

2.9. Аппаратные средства компьютерных сетей

 

Как было отмечено ранее, для соединения компьютеров в компьютерные сети требуются специальные аппаратные средства — линии связи, сетевые платы, мо­демы и т. д.

 

2.9.1. Линии связи

Чаще всего в качестве носителя передаваемой по сети информации выступают электромагнитные волны разной частоты.

 

ВНИМАНИЕ

Физическую среду, которая используется для соединения компьютеров в сети, при­нято называть линией связи, каналом связи или средой передачи данных.

 

В качестве линий связи могут использоваться инфракрасные лучи, обычные или специальные электрические провода, оптоволоконные кабели, телефонные линии, радио- и спутниковая связь. Информация передается по линиям связи в виде различных сигналов, которые, испытывая сопротивление среды, затухают с рас­стоянием. Поэтому одной из важнейших характеристик линии связи является максимальная дальность, на которую может быть передана по ней информация без искажения.

Так, инфракрасные лучи обеспечивают передачу информации между компьютера­ми, находящимися в пределах одной комнаты. Линия связи, являющаяся разно­видностью электрического кабеля, — «витая пара» (два изолированных медных провода, свитые в жгут) обеспечивает связь между компьютерами, находящи­мися на расстоянии не более 100 м. Наиболее популярное в настоящее время средство соединения — электрический коаксиальный кабель типа Ethernet — по­зволяет связывать компьютеры на расстоянии до 500 м. Коаксиальный кабель можно сделать более или менее толстым. Более толстые кабели обеспечивают лучшую передачу данных на большие расстояния, но они дороже и проклады­вать их сложнее. Оптоволоконные кабели представляют собой довольно тон­кие жгуты из специального материала, по которому распространяются световые волны, генерируемые микролазерными установками. Такие кабели обеспечиваютсвязь на расстояниях в десятки и сотни километров. А различные комбинации телефонных линий, радио- и спутниковой связи позволяют соединять компью­теры, находящиеся в любой точке планеты.

 

2.9.2. Классификация сетей по дальности передачи

 

В зависимости от протяженности линий связи и территории охвата компьютер­ные сети делятся на локальные, городские, территориальные и глобальные.

Локальные сети (ЛВС — локальная вычислительная сеть, или LAN — Local Area Network — локальная, местная сеть) обеспечивают работу специалистов лабора­тории, отдела, небольшого предприятия, расположенного в одном здании или в группе близко находящихся зданий. Локальная сеть может включать несколько сотен компьютеров. Сеть, построенную из одинаковых, однотипных или совмес­тимых друг с другом компьютеров, называют однородной (гомогенной). Если же сеть содержит разнотипные компьютеры, то она называется неоднородной (гете­рогенной).

Участок кабеля, обеспечивающий связь между компьютерами в ЛВС без ис­пользования вспомогательных устройств, принято называть сегментом. Обычно к сегменту электрического кабеля подключается один-два десятка компьютеров. В сетях, использующих соединения из электрических или оптоволоконных ка­белей, для увеличения дальности передачи могут использоваться специальные устройства — повторители, или репитеры, и ретрансляторы, связывающие от­дельные сегменты кабелей и обеспечивающие восстановление исходной мощно­сти сигналов и возможность их дальнейшей передачи.

Городские сети (MAN — Metropolitan Area Network — городская сеть) объеди­няют локальные сети различных предприятий и организаций, находящихся, как правило, в пределах города или аналогичного по площади района.

Для соединения локальных сетей с однотипным аппаратным оборудованием и программным обеспечением используются так называемые мосты. Роль моста может играть специальная сетевая плата, вставляемая внутрь компьютера, или же отдельный компьютер со специальным программным обеспечением.

Для соединения локальных сетей с различными аппаратными и программными средствами в каждой из сетей выделяется специализированный компьютер, ко­торый называется шлюзом. Шлюзы каждой из сетей соединяются друг с другом с помощью линий связи и обеспечивают преобразование и пересылку информа­ции от сети с одним методом ее передачи к сети с другим методом.

В городских компьютерных сетях в качестве линии связи может использоваться существующая телефонная сеть. Однако прямое применение в компьютерных сетях традиционных способов связи невозможно. Дело в том, что информация в компьютере имеет форму дискретного двоичного кода, в то время как в ука­занных линиях связи форма представления — непрерывный, аналоговый сигнал(рис. 2.2, 2.7). Поэтому для передачи информации по телефонным линиям ее необходимо предварительно преобразовать из формы двоичного кода в непрерыв­ный электрический сигнал. Для этой цели используется модулятор. Непрерыв­ный сигнал, принятый по телефонной линии, необходимо преобразовать в форму двоичного кода, «понятную» компьютеру. Эту операцию выполняет демодуля­тор. Модулятор и демодулятор чаще всего объединены в одном устройстве, ко­торое называется модем.

Предполагается, что в будущем существующие сейчас телефонные линии будут повсеместно заменены линиями, основанными на цифровой форме представления информации (линии ISDN — Integrated Services Digital Network — цифровая сеть с интегрированными службами). Цифровая форма обеспечивает значительно бо­лее высокие качество и скорость передачи информации. При переходе к цифро­вой связи необходимость в модемах отпадает, так как форма сигнала в цифровой телефонной сети и в компьютере одинаковая — цифровая.

Территориальные или региональные сети (WAN — Wide Area Network — сеть широкой области) объединяют локальные или городские сети, расположен­ные в различных городах или районах. Такие сети могут охватывать несколько областей, а также целые страны и континенты. В качестве примера территори­альных сетей можно указать действующие в России сети Relcom (Reliable Communications — надёжные коммуникации), Relarn, Rosnet, Sprint, Unicom, Роспак и ряд других. В качестве линий связи в таких сетях в основном использу­ются телефонные линии и оптоволоконные каналы.

Глобальные сети (ГВС — глобальная вычислительная сеть, global network). По мере роста и развития территориальных сетей возникали устойчивые со­единения и связи между ними. Таким образом появились глобальные сети, сети планетарного масштаба, охватывающие все континенты Земли, например сети Usenet, Fidonet, Интернет. Фрагменты глобальных сетей соединяются друг с дру­гом с помощью спутниковой связи, радиосвязи, телефонных линий и оптоволо­конных каналов.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Более подробные сведения о структуре компьютерных сетей можно найти в главе с дополнительными материалами (глава 12, дополнение 2.8).

 

2.9.3.  Пропускная способность сети

           

Кроме дальности передачи линии связи характеризуются пропускной способ­ностью, еще одной очень важной величиной, существенно влияющей на эф­фективность сети. Пропускной способностью называется максимальное коли­чество битов информации, которое может быть передано по линии связи за одну секунду — бит/с или бод. Кроме того, используются кратные единицы: кило­бит в секунду (Кбит/с) равен 1000 бод; мегабит в секунду (Мбит/с) равен 1000 Кбит/с или 1 000 000 бод; гигабит в секунду (Гбит/с) равен 1 000 Мбит/с или 1 000 000 000 бод. Чем выше пропускная способность, тем удобнее работа в сети и тем меньше время ожидания передаваемой информации. Используемые в настоящее время линии связи имеют очень большой разброс по пропускной способности: от десятков килобит в секунду (что очень мало) и 10 Мбит/с у элек­трического кабеля типа Ethernet до 1 Гбит/с и выше у оптоволоконного кабеля.

Одной из основных характеристик модемов является скорость, с которой они обеспечивают преобразование и передачу информации. Современные модемы ра­ботают со скоростями от 2400 до 115 200 бод. Типичными являются скорости 9600, 14 400, 19 200, 28 800, 38 400 и 57 600 бод.

 

2.9.4.  Функциональные структуры сетей

 

Ранее отмечалось, что все устройства компьютера (процессор, дисплей, принте­ры, дисковые накопители и т. д.), а также программы и данные, находящиеся на накопителях, образуют его ресурсы. Ресурсы компьютера, к которым разрешено обращение с других компьютеров сети, называются сетевыми ресурсами. Такими устройствами чаще всего являются диски (сетевые диски) и принтеры (сетевые принтеры). Ресурсы компьютера, недоступные для других компьютеров сети, на­зываются локальными.

Сеть, в которой все компьютеры имеют совершенно одинаковые права и могут использовать сетевые ресурсы друг друга, называется одноранговой. Обычно в одноранговую сеть объединяется небольшое число компьютеров (в пределах нескольких десятков), на которых работает группа сотрудников, занятых решени­ем одной и той же задачи. Каждый из сотрудников, работая на любом компьютере сети, может использовать сетевые ресурсы любого другого компьютера.

В более развитых сетях существует специализация компьютеров. Одни компью­теры, как правило, более мощные, предоставляют свои ресурсы другим компью­терам, а последние используют эти ресурсы для своих целей. В этом случае сеть относится к типу «клиент—сервер».

 

ВНИМАНИЕ

Сервером называется компьютер, который предоставляет свои сетевые ресурсы другим компьютерам.

 

Иногда в названии сервера указывается характер предоставляемых ресурсов или услуг. Например, название почтовый сервер означает сервер, предоставляющийпочтовые услуги, то есть пересылку сообщений между компьютерами сети. Сер­вер должен иметь высокую производительность, большой объем оперативной и дисковой памяти.

 

ВНИМАНИЕ

Клиентом называется компьютер или набор аппаратных средств, который исполь­зует в своей работе ресурсы другого компьютера.

 

Как правило, в качестве клиентов используются стандартные персональные ком­пьютеры. В этом случае часть работы выполняется на клиентской машине, а при возникновении потребности в каком-либо дополнительном ресурсе происходит обращение к серверу. В некоторых случаях клиентом может быть набор аппара­туры, состоящий только из клавиатуры и дисплея. Такой набор называют про­стым терминалом. В этом случае вся обработка информации выполняется на серверах, а пользователь, работая на клавиатуре, передает запросы к серверам и получает от них ответ на дисплее.

 

2.10. Семейство персональных компьютеров IBM PC

 

Первый в мире микропроцессор появился в 1971 г. Это был четырехбитный микропроцессор Intel 4004. В 1972-1973 г. были выпущены восьмибитные Intel 8008 и Intel 8080. На базе последнего процессора были созданы самые первые микрокомпьютеры. Эти машины обладали очень малыми возможностями и рас­сматривались просто как забавные, но малополезные игрушки. В настоящее вре­мя используются мощные многофункциональные машины, например с маркой Pentium — Pentium II, Pentium MMX (с расширенными мультимедийными воз­можностями), Pentium III и Pentium 4. Каждая следующая модель отличается от предыдущей расширением системы команд, возрастающей тактовой частотой, воз­можными объемами оперативной памяти и жестких дисков, повышением общей эффективности. Постоянно ведутся разработки новых, более совершенных моделей.

Компьютеры семейства IBM PC оказались настолько удачными, что их стали дублировать почти во всех странах мира. При этом компьютеры оказывались одинаковыми с точки зрения способов кодирования данных и системы команд, но разными по техническим характеристикам, внешнему виду и стоимости. Такие машины называют IBM-совместимыми персональными компьютерами. Програм­мы, написанные для выполнения на IBM PC, могут с точно таким же успехом выполняться и на IBM-совместимых компьютерах. В таких случаях говорят, что имеет место программная совместимость.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

В последнее время для обозначения принадлежности компьютера к тому или иному семейству широко используется термин платформа. Например, говорят «платфор­ма IBM-совместимых компьютеров» или «аппаратная платформа Intel».

 

Контрольные вопросы к разделам 2.9 и 2.10

 

1.   Какие устройства относятся к аппаратному обеспечению компьютерных сетей?

2.   Что называется линией связи? Что может использоваться в качестве линий связи?

3.   Перечислите основные характеристики линий связи.

4.   Какие бывают сети? По каким признакам сеть относят к той или иной группе?

5.  Дайте характеристику локальным сетям.

6.  Чем отличаются друг от друга однородные и неоднородные сети?

7.   Что называется сегментом сети? Для чего нужны повторители и ретрансляторы?

8.  Дайте характеристику городским сетям.

9.   Чем отличаются шлюзы от мостов?

10.   Какое устройство необходимо для подсоединения компьютера к информаци­онной сети через телефонную сеть? Какую роль играет это устройство?

11.  Дайте характеристику региональным сетям.

12.   Дайте характеристику глобальным сетям.

13.   Что называется пропускной способностью сети? В каких единицах она изме­ряется? Назовите типовые значения пропусной способности современных сетей.

14.   Что относится к ресурсам компьютера?

15.   Какие ресурсы считаются сетевыми, а какие — локальными?

16.   Чем отличается одноранговая сеть?

17.   Охарактеризуйте сеть типа «клиент—сервер».

18.   Что может использоваться в качестве терминала?

19.   Что называется сервером? Какие бывают серверы?

20.   Назовите базовые модели семейства IBM PC. Чем они отличаются друг от друга?

21.   Какие компьютеры считаются программно-совместимыми?

22.   Что называется семейством компьютеров? Как понимать термин «аппаратная платформа»?

 

2.11. Другие архитектуры

 

Машины семейства IBM PC относятся к так называемой CISC-архитектуре компьютеров (CISC — Complete Instruction Set Computer — компьютер с пол­ным набором команд). В системах команд процессоров, построенных по этой архитектуре, для каждого возможного действия предусмотрена отдельная ко­манда. Например, система команд процессора Intel Pentium состоит более чем из 1000 различных команд.

В середине 80-х гг. появились первые процессоры с сокращенной системой команд, построенные по так называемой RISC-архитектуре (RISC — Reduce Instruction Set Computer — компьютер с усеченной системой команд). Системы команд процессоров с такой архитектурой значительно компактнее, поэтому про­граммы, состоящие из входящих в эту систему команд, требуют значительно меньше памяти и выполняются быстрее. Однако для многих сложных действий отдельные команды в таких системах не предусмотрены. Когда в таких дейст­виях возникает необходимость, они эмулируются1 с помощью существующих команд. Речь идет о выполнении необходимых сложных действий, для которых команды в усеченной системе не предусмотрены, с помощью некоторой последо­вательности команд, имеющихся в системе. Естественно, при этом снижается эффективность процессора. К архитектуре RISC относятся широко известные машины компании Apple Macintosh, которые имеют систему команд, обеспе­чивающую им в ряде случаев более высокую производительность по сравнению с машинами семейства IBM PC. Еще одно важное отличие машин на этой плат­форме состоит в том, что многие возможности, которые в семействе IBM PC обеспечиваются путем приобретения, установки и настройки дополнительного оборудования, в машинах семейства Macintosh являются встроенными и не тре­буют никакой настройки оборудования. В качестве высокопроизводительных серверов достаточно часто используются машины семейств Sun Microsystems, Hewlett Packard и Compaq, которые также относятся к RISC-архитектуре.

 

2.12. Правила безопасной работы на компьютере

 

Во время работы на персональном компьютере необходимо соблюдать ряд очень важных правил, которые обеспечивают пользователю безопасную для личного здоровья рабочую обстановку, а также сохранность аппаратуры компьютера, про­грамм и данных, находящихся на его внешних устройствах.

Теоретически, наибольший вред здоровью человека во время работы с компь­ютером наносит излучение монитора. Хотя в последнее время мониторы удов­летворяют весьма жестким требованиям к уровню излучения, зафиксированным в стандартах ТСО-99 (и аналогичных более поздних стандартах), рекомендуется при любом классе защиты устанавливать монитор на расстоянии вытянутой руки от человека.

Ущерб здоровью человека может нанести также длительная непрерывная работа с клавиатурой и манипулятором мышь, поэтому рекомендуется не превышать предельно допустимых временных параметров работы с компьютером, а во вре­мя работы периодически делать перерывы для отдыха.

 

ПРИМЕЧАНИЕ

Действующие в России санитарные нормативы ограничивают продолжительность работы с персональным компьютером. Для профессиональных работников — не бо­лее 6 часов в день с обязательными 10-15-минутными перерывами каждый час. При этом продолжительность непрерывной работы не должна превышать 2 часа. А для студентов высших учебных заведений — до 2-3 академических часов в день (в зависимости от курса) при условии соблюдения 15-20 минутных перерывов ме­жду часами и выполнении профилактических мероприятий (упражнений для глаз, физкультурных разминок и т. д.).

 

Для обеспечения сохранности аппаратуры компьютера также рекомендуется следовать простым, но очень важным нижеследующим рекомендациям.

Нельзя перемещать системный блок при включенном электропитании компью­тера, так как это может привести к выходу из строя жесткого диска, который во время работы вращается с огромной скоростью.

Во время эксплуатации монитора следует быть очень осторожным. Крайне важ­но не наносить экрану монитора механических повреждений — царапин, сколов и т. д. Монитор не следует размещать рядом с отопительными батареями. Также не следует закрывать доступ к вентиляционным отверстиям на поверхностях мо­нитора. Следует использовать специальные очищающие жидкости или соответ­ствующие безворсовые салфетки для очистки экрана.

 

ВНИМАНИЕ

Ни в коем случае нельзя применять для очистки экрана монитора спирт, бензин, ацетон и т. д.

 

При работе с гибкими дисками важно соблюдать ряд правил обращения с ними:

□  гибкие диски нельзя сгибать;

□  защитный чехол нельзя вскрывать;

□  диски следует беречь от попадания влаги;

□  диски нельзя нагревать;

□  диски нужно оберегать от воздействия электромагнитных полей;

□  нельзя касаться рабочих поверхностей диска;

□  вставлять диск в прорезь дисковода нужно аккуратно, без перекосов и нажима;

□  диски лучше всего хранить в фирменных конвертах, коробках или специаль­ных контейнерах.

 

Правила обращения с дисководами CD-ROM, CD-R и CD-RW и оптическими дисками также достаточно просты и естественны:

□  категорически запрещается гнуть диски;

□  не допускается попадание на компакт-диск прямых солнечных лучей;

□  запрещается ставить какие-либо предметы на выдвинутый лоток дисковода;

□   не следует допускать падений, ударов, толчков и вибрации дисководов, осо­бенно во время записи на диск;

□   не допускается попадание воды или других жидкостей внутрь дисковода;

□   не допускается нанесение каких-либо надписей карандашом или авторучкой на обеих поверхностях диска, так как даже небольшая царапина на стороне этикетки (нерабочей поверхности диска) может привести к потере данных;

□   не допускается использование наклеек на нерабочей стороне, они нарушают центровку диска, что приводит к сильной вибрации;

□   нельзя прикасаться к рабочей поверхности диска пальцами;

□   не рекомендуется хранить диски в теплой и влажной среде;

□   хранить компакт-диски рекомендуется только в специальных футлярах.

 

Рекомендуется регулярно чистить компакт-диски с помощью мягкой тряпочки, смоченной в воде или специальной жидкости для чистки компакт-дисков. Про­тирать диск следует по прямой линии от середины к краю.

Для обеспечения эффективной работы мыши перемещать ее следует по специаль­ному коврику, который обеспечивает более высокое качество сцепления шарика мыши с горизонтальной поверхностью. Рекомендуется периодически протирать спиртом или специальным очищающим средством шарик и контактирующие с ним ролики внутри корпуса мыши.

 

Контрольные вопросы к разделу 2.12

 

1.   Сформулируйте правила безопасной для личного здоровья работы на компь­ютере.

2.   Сформулируйте правила безопасной для аппаратуры работы на компьютере.

3.   Сформулируйте правила эксплуатации мониторов.

4.   Сформулируйте правила обращения с гибкими дисками.

5.   Сформулируйте правила обращения с оптическими дисками.

6.   Сформулируйте правила работы с мышью.

 

Глава 3

Программное обеспечение компьютера

 

Компьютер выполняет любые действия по программам, написанным человеком. Сам по себе компьютер никогда никаких действий выполнить не в состоянии. Можно сказать, что компьютер без программы подобен автомобилю без водите­ля и горючего. Поэтому наличие программ не менее важно, чем наличие компью­тера. В настоящее время программы, которые необходимы для нормального функционирования компьютера, могут многократно превосходить по стоимости аппаратные средства.

 

3.1. Понятие программного обеспечения

 

Для обозначения множества программ, которые используются или могут быть использованы на компьютере, служит термин программное обеспечение (ПО)

компьютера.

 

ВНИМАНИЕ

Программным обеспечением называется совокупность, включающая программы, которые могут выполняться на компьютере данной модели, а также комплекты со­провождающей их технической и программной документации.

 

Разные модели вычислительных машин обладают различной архитектурой, раз­личными способами кодирования информации, различными системами команд. Поэтому программы, подготовленные к выполнению на компьютере одной моде­ли, скорее всего, невозможно будет выполнить на компьютере другой модели. Таким образом, следует говорить о программном обеспечении данной конкрет­ной модели либо семейства программно-совместимых машин.

Вместе с программой приобретается и комплект документации, в котором опи­сываются назначение и основные возможности программы, технические требо­вания к аппаратным средствам компьютера (необходимый объем оперативной и внешней памяти, наличие специального оборудования и т. д.), способы уста­новки программы на компьютере и способы управления программой. Довольно часто в программах предусматривается встроенная справочная система, или Help-система (help — помощь), обращаться к которой можно непосредственно во время выполнения программы.

 

СОВЕТ

Если во время работы с незнакомой программой возникла необходимость в полу­чении справки по ее работе, можно попробовать нажать функциональную клави­шу F1 — именно этот способ обращения к встроенной справочной системе принят в большинстве программ.

 

Совокупность всех программных средств и требующихся им данных иногда на­зывают software (software — программное обеспечение), а совокупность аппарат­ных средств — hardware (hardware — аппаратное обеспечение). На любом компь­ютере имеется конкретный набор аппаратных и программных средств, а также различных данных, который образует его ресурсы.

 

ВНИМАНИЕ

Ресурсами компьютера называется совокупность, состоящая из всех его аппарат­ных средств, а также всех программ и данных, которые находятся в его оперативной и внешней памяти.

 

Как правило, для выполнения функций по обработке данных программе требу­ется определенная вспомогательная информация. Кроме того, для выполнения группы родственных функций часто разрабатывается не одна программа, а не­сколько взаимосвязанных.

 

ВНИМАНИЕ

Группа взаимосвязанных программ, обеспечивающих выполнение родственных функций обработки информации, вместе с необходимыми для этого наборами вспомогательных данных называется пакетом программ или программной систе­мой. Программа или пакет программ, разрабатываемый с целью массового тиражи­рования, называется программным продуктом.

 

Контрольные вопросы к разделу 3.1

1.   Какую роль играют программы в работе компьютера?

2.  Дайте определение понятию «программное обеспечение».

3.   Каким образом можно узнать назначение, основные возможности и способы управления программами?

4.  Что понимается под терминами «software» и «hardware»?

5.  Что относится к ресурсам компьютера?

6.  Сравните между собой содержание понятий «аппаратное обеспечение», «про­граммное обеспечение» и «ресурсы компьютера».

7.  Дайте определение понятиям «пакет программ», «программная система», «про­граммный продукт».

 

3.2. Структура программного обеспечения

В настоящее время в программном обеспечении персональных компьютеров принято выделять следующие группы программ: системное, инструментальное и прикладное программное обеспечение.

 

3.2.1. Системное программное обеспечение

 

Программы этой группы автоматизируют подавляющее большинство вспомога­тельной работы с аппаратными средствами, которую приходится выполнять при использовании всевозможных компьютерных технологий для обработки данных.

 

ВНИМАНИЕ

Системное программное обеспечение служит для обеспечения эффективной рабо­ты аппаратуры компьютера.

 

К группе системных программ относятся операционные системы, операцион­ные оболочки, утилиты, драйверы, архиваторы, антивирусные и некоторые дру­гие программы.

□  Операционные системы представляют собой пакеты программ, которые обес­печивают эффективную работу всех аппаратных средств компьютера, а также возможность управления всеми его ресурсами (см. раздел 3.5).

□  Операционные оболочки представляют собой дополнительные программы, которые предназначены для повышения удобства управления работой опера­ционных систем (см. раздел 3.7.2).

□  Утилиты (utility — полезность) представляют собой небольшие, но очень полезные программы, которые выполняют разнообразные вспомогательные функции по управлению работой аппаратных средств, по повышению эффек­тивности их работы, осуществляют проверку их работоспособности, обслу­живание и настройку.

□  Для выполнения операций по обмену данными между программой и различ­ными внешними устройствами в состав операционной системы включается ряд специализированных программ, которые принято называть драйверами (drive — управлять). Отсутствие или применение не соответствующего устрой­ству драйвера делает это устройство бесполезным.

□   Программы-архиваторы служат для создания архивных копий важных про­грамм и наборов данных. Архиваторы также минимизируют объем, который нужен для размещения архива на внешнем носителе.

□  Антивирусные программы обеспечивают пользователя необходимыми сред­ствами борьбы с упоминавшимися ранее компьютерными вирусами.

Разрабатываются, настраиваются и поддерживаются в рабочем состоянии сис­темные программы специалистами, которых принято называть системными про­граммистами. Они должны обладать высокой квалификацией, в деталях знать аппаратное обеспечение компьютера и способы работы с данными на машинном уровне. Рядовому пользователю приходится постоянно сталкиваться с систем­ными программами, но уже с точки зрения их эксплуатации, использования их возможностей для решения своих задач. С некоторыми программами этой груп­пы мы познакомимся в следующих главах пособия.

 

3.2.2.  Инструментальное программное обеспечение

 

Инструментальное программное обеспечение — это разновидность орудий труда для другой категории специалистов, так называемых прикладных программистов.

 

ВНИМАНИЕ

Инструментальное программное обеспечение служит для разработки всевозможных пакетов программ, применяемых в самых разных областях деятельности человека.

 

Прикладные программисты должны не только хорошо знать приемы и способы обработки данных и уметь разрабатывать программы. Они должны хорошо ори­ентироваться или достаточно быстро осваиваться в конкретных областях приме­нения информационных технологий — в инженерных дисциплинах, математике, физике, издательском деле, бухгалтерии, медицине и т. д. Обычным пользовате­лям сталкиваться с программами этой группы, как правило, не приходится.

В группу инструментальных программ входят: трансляторы с различных алго­ритмических языков, осуществляющие перевод текста программы на машинный язык; связывающие редакторы, позволяющие объединять отдельные части про­грамм в единое целое; отладчики, с помощью которых обнаруживаются и устра­няются ошибки, допущенные при написании программы; интегрированные среды разработчиков, объединяющие перечисленные компоненты в единую удобную для разработки программ систему.

 

3.2.3.  Прикладное программное обеспечение

 

Прикладное программное обеспечение является конечной целью деятельности прикладных программистов и одновременно орудием труда конечных пользова­телей. Специалист в конкретной области деятельности не обязан одновременно являться специалистом в области средств обработки данных, он не должен уметьпрограммировать. Однако он должен знать основные способы и приемы работы с компьютером, назначение и основные возможности системных и особенно прикладных программ в своей проблемной области.

 

ВНИМАНИЕ

Прикладное программное обеспечение обеспечивает решение задач в различных областях применения компьютерных систем обработки данных. Прикладная про­грамма или приложение — это программа, предназначенная для решения задачи или класса задач в конкретной области применения информационных технологий обработки данных. Конкретную область применения информационных технологий принято называть проблемной областью.           

 

Ниже перечислены некоторые разновидности прикладных программ:

□  Текстовые редакторы: Word, WordPerfect, Тех и многие другие. Служат для подготовки различного рода печатных документов — справок, отчетов, ведо­мостей, статей. Подробности работы с текстовым редактором Microsoft Word обсуждаются в главе 7 пособия. Наиболее мощные из текстовых редакторов иногда называют текстовыми процессорами. Особыми разновидностями тек­стовых редакторов являются издательские системы, служащие для подготов­ки к тиражированию газет, журналов, рекламных буклетов, проспектов, книг. Это Ventura Publisher, Adobe Acrobat, Adobe PageMaker и QuarkXPress.

□ Графические редакторы, с помощью которых разрабатываются разнообразные рисунки, чертежи, графики, диаграммы, иллюстрации, в том числе и трех­мерные изображения, — Paint, Adobe PhotoShop, CorelDraw, 3DStudioMAX (см. главу 8 пособия).

□  Электронные таблицы представляют собой электронный аналог обычных таблиц, с помощью которых осуществляется автоматическая обработка боль­ших массивов текстовой и числовой информации. К ним относятся Lotus, SuperCalc, Excel, Quattro Pro и ряд других. В главе 9 пособия обсуждаются приемы работы с программой Microsoft Excel.                                        

□  Базы данных — программные системы, используемые для хранения сведений об одном или нескольких объектах, их свойствах и взаимосвязях. Для разра­ботки баз данных, первичного заполнения их информацией и поддержания данных в актуальном состоянии (то есть соответствующем текущему, ре­альному состоянию предметной области) служат инструментальные пакеты программ, называемые системами управления базами данных (СУБД). В на­стоящее время наибольшей популярностью пользуются СУБД Access, FoxPro, Paradox, Informix, Oracle и ряд других (см. главу 10 пособия).

□  Интегрированные системы объединяют компоненты, аналогичные упомяну­тым выше специализированным пакетам, обеспечивая единый стиль взаимо­действия со всеми составляющими пакета, а также удобный и эффективный способ передачи информации между различными его компонентами. Ярким примером интегрированных систем является пакет программ Microsoft Office. Можно упомянуть также пакет Corel Word Perfect Office, в который входят текстовый редактор WordPerfect и обработчик электронных таблиц Quattro Pro. Эти программы, по мнению ряда экспертов, являются лучшими в мире в сво­их классах. Однако цена пакета выше, чем цена MS Office. В связи с этим сле­дует отметить распространяемый компанией Sun бесплатно офисный пакет StarOffice, который может работать на различных программных и аппаратных платформах. Каждый из упомянутых пакетов включает в себя полный набор средств для офисной работы, в том числе текстовые редакторы, программы обработки электронных таблиц, системы управления базами данных и т. д,

□   Системы документооборота различных предприятий и организаций, которые содержат инструменты планирования и управления, автоматизации финансо­во-хозяйственной деятельности, учета выпускаемой продукции, подготовки различного рода отчетов, канцелярского документооборота, ведения деловой переписки и т. д. (отечественной разработки «СКАТ», «Парус», «Евфрат»).

□   Бухгалтерские и финансовые программы позволяют существенно автомати­зировать работу бухгалтерий и аналитических отделов различных предпри­ятий и организаций («1С: Бухгалтерия»).

□   Корректоры — программы, обеспечивающие проверку правописания в любых тестах, документах, отчетах. Например, отечественные пакеты «ОРФО», «Про­пись» содержат свыше 100 000 слов и словосочетаний, а также практически все современные правила переноса, орфографии и пунктуации.

□   Переводчики и электронные словари — программы, с помощью которых мож­но осуществлять автоматизированный перевод текстов с одного языка на другой. Например, пакет Lingua Match Correspondent обеспечивает ведение деловой переписки на шести языках. Популярными программами-перевод­чиками в настоящее время считаются пакеты Stylus, ABBYY Lingvo, Socrat и электронный словарь «МультилексПро», содержащий свыше 2 миллионов русских и английских слов.

□   Персональные менеджеры, или органайзеры — программы, призванные заме­нить человеку его записную книжку, в которой он содержит номера телефо­нов, адреса, дни рождения знакомых, и ежедневник, в котором фиксируются время и день проведения деловых встреч, мероприятий и т. д.. Персональный менеджер — это планировщик личной и коллективной деятельности, это свое­образный «будильник — напоминальник», который за несколько дней или часов до мероприятия напомнит о нем, это «вечный календарь», почтовая про­грамма и многое другое. В общем, это очень полезная для организации личной и деловой информации программа. Пожалуй, наиболее известной на сегодняш­ний день программой этой группы является Microsoft Outlook, входящая в па­кет Microsoft Office. Можно упомянуть еще программы Golden Section Organizer, и «Информатор 2000», которые не так универсальны, как MS Outlook, зато! значительно меньше по объему и проще в работе.                                          

□   Образовательные, обучающие программы и мультимедийные энциклопедии.

Пакеты образовательных программ обеспечивают индивидуальное обучение5 и проверку качества обучения самым разным предметам: математике, ино­странным языкам, химии, биологии.

 □  Мультимедийные программы предназначены для воспроизведения звуко-и видеозаписей, а также содержат средства для их создания, записи и редак­тирования.

□  Игровые и развлекательные пакеты представлены огромным количеством различных игр для самых разных возрастов, а также аудио- и видеозаписями.

 

Контрольные вопросы к разделу 3.2

1.  Опишите классификацию программного обеспечения.

2.  Для чего нужно системное программное обеспечение? Назовите основные про­граммы, относящиеся к системному программному обеспечению.

3.  Зачем нужны операционные системы?

4.  Для чего необходимы программы-оболочки?

5.  Для чего служат утилиты?

6.   Какую роль играют драйверы?

7.  Для чего используется инструментальное программное обеспечение?

8.  Дайте определение понятиям «прикладная программа» и «приложение».

9.  Для чего используются текстовые и графические редакторы. Приведите при­меры редакторов.

10.  Для чего используются электронные таблицы?

11.  Что называется базой данных? Приведите примеры баз данных.

12.  Для чего нужны СУБД?

13.   В чем основная особенность интегрированных систем?

14.   Охарактеризуйте пакет Microsoft Office.

15.  Опишите известные вам пакеты прикладных программ.

 

3.3. Версии и модификации программ

 

По мере использования программных продуктов на практике выявляются их не­достатки, неиспользованные возможности и ошибки, не замеченные на стадии разработки. Фирмы-производители учитывают всю поступающую к ним подоб­ного рода информацию и по возможности вносят в получивший признание про­дукт соответствующие изменения. Эти изменения входят в новые модификации и версии существующего программного

продукта.

 

ВНИМАНИЕ

Модификация представляет собой незначительно измененную программу или пакет программ, в котором устранены замеченные ошибки или же внесены незначитель­ные изменения. Версия представляет собой существенно измененную программу . или пакет программ, в который добавлены принципиально новые функции, ис­пользуется иная организация программы, данных или применяются новые способы взаимодействия пользователя с программой.

 Как правило, новые модификации и версии имеют то же самое название, какое имел и исходный продукт. Однако справа от названия такого измененного продук­та появляется определенный признак модификации. Например, за время развития и использования операционной системы Windows (windows — окна) выпущено несколько ее версий и модификаций: Windows 1.0, Windows 2.0, Windows 3.0, Windows 3.11, Windows 95, Windows 98, Windows NT (New Technology — но­вая технология), Windows 2000, Windows XP (eXPerience — опытный, умуд­ренный) и др.

Довольно часто какую-либо группу версий или модификаций одной и той же программы называют семейством и в обозначение версии вводят букву «х», кото­рая заменяет несовпадающие цифры обозначений. Так, группа версий Windows 95, Windows 98 считается семейством Windows 9x. А относительно семейства операци­онных систем может применяться еще и термин платформа, например платфор­ма Windows 9х. Операционные системы Windows NT, Windows 2000 и Windows ХР также считаются семейством и обозначаются Windows NT/2000/XP.

 

ВНИМАНИЕ

Семейством называют группу тесно связанных программных систем, имеющих одну и ту же принципиальную основу.

 

Термин «версия» в отношении к программному обеспечению может использо­ваться и еще в одном смысле. В ходе разработки программных продуктов компа­нии могут распространять пробные пакеты с целью их тестирования. Вначале компания выпускает так называемую альфа-версию пакета, которая может со­держать много ошибок и недоработок. Лица, выполняющие тестирование этого пакета, сообщают все свои замечания разработчику. После учета всех таких за­мечаний и исправления обнаруженных ошибок компания выпускает бета-вер­сию. И вновь осуществляются пробная эксплуатация и выявление оставшихся ошибок. Затем следуют этап исправления ошибок, обнаруженных при тестиро­вании бета-версии, и выпуск RC-версии (Release Candidate — кандидат на реа­лизацию), которая уже практически не содержит ошибок. На последнем этапе программный продукт выявлением наиболее скрытых ошибок доводится до «то­варного» вида, после чего в продажу выпускается окончательная версия — так называемая релиз-версия, или просто релиз (от release — реализация).

Версии программных систем, которые используют в интерфейсе национальные языки, называются локализованными.

 

3.4. Распространение программных продуктов

 

В настоящее время применяются следующие способы распространения программ­ных продуктов: коммерческий (commercialware), shareware — частично оплачи­ваемый, или условно-бесплатный, freeware — бесплатный и trial — пробный.

 Коммерческие пакеты приобретаются за их полную стоимость, а условно-бес­платные — за небольшую, иногда символическую цену после бесплатного испы­тательного срока. Пробные (trial) пакеты распространяются их разработчиками бесплатно с целью тестирования и обкатки.

Приобретая программу через торговую сеть или у специализированных рас­пространителей, покупатель получает все юридические права по ее использо­ванию. При приобретении программы у легальных распространителей поку­патель получает вместе с пакетом сертификат или лицензию на определенные права по применению пакета. Нелегальные распространители не выдают таких документов.                                                                  

 

ВНИМАНИЕ

Бесплатное приобретение коммерческих и условно-бесплатных программ путем копирования (нелицензионное, нелегальное, пиратское копирование) является на­рушением авторских прав разработчика программы и преследуется по закону.

 

Чаще всего пакеты программ реализуются в виде так называемого дистрибутива (distribute — распространять, раздавать), который представляет собой програм­мы пакета и необходимые вспомогательные данные, записанные в специальной форме на гибких или оптических дисках. В комплекте с легальным дистрибути­вом поставляются необходимая программная документация, а также лицензия на право использования приобретенной программы.

ВНИМАНИЕ

Непосредственное выполнение программы, представленной в виде дистрибутива, невозможно.

 

Для приведения пакета или программы в рабочее состояние требуется выполнить процедуру установки, инсталляции (install — установка), то есть развертывания, приведения программ и данных в работоспособное состояние по правилам, издос женным в сопровождающей документации. Коммерческие дистрибутивные па­кеты часто защищаются от незаконного копирования, а для их развертывания необходимо знать специальный код, позволяющий выполнить установку только законному владельцу пакета.