Математика и информатика, пособие.

С.С. Бондарчук

Действительно жить - значит жить,

располагая правильной информацией

Н.Винер

Вся история развития человечества неразрывно связана с развитием и совершенствованием средств получения, накопления и передачи информации. Изобретение пишущей машинки, телефона, телеграфа, радио, диктофона, телевидения, компьютера, современных средств информационных и телекоммуникационных технологий - таковы этапы становления и триумфа информационной эры.

Информатика возникла как наука, изучающая информационные процессы и пути их автоматизации (Информатика - от франц. information (информация) и automatique ( автоматика ) - информационная автоматика.).

Современную информатику рассматривают:

во-первых, как фундаментальную естественную междисциплинарную науку об информации, информационных процессах, системах и технологиях; в этом смысле она расширилась до границ создания общей научной методологии разработки информационного обеспечения процессов управления материальными объектами и интеллектуальными процессами любой природы;

во-вторых, как прикладную дисциплину, так как исторически она возникла и развивалась как инженерная дисциплина, в состав которой входили:

в-третьих,, как отрасль народного хозяйства, так как в ней как и в любой отрасли можно выделить три относительно автономные составные части («создать», «преобразовать», «потребить»):

- производство технических средств обработки информации (hardware) и программных средств и систем (software);

- обработка и преобразование информации;

- маркетинг, продажа и потребление информационных продуктов и услуг.

Основные направления информатики.

Можно выделить следующие восемь основных направлений информатики как теоретической и прикладной дисциплины (см. схему).

	Теоретическая информатика
И	Кибернетика
Н
Ф	Программирование
О
Р	Искусственный интеллект
М
А	Информационные системы
Т
И	Вычислительная техника
К
А	Информатика в обществе
	Информатика в природе

Теоретическая информатика. Это – математическая дисциплина. Она использует методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации, создает тот теоретический фундамент, на котором строится все здание информатики.

Кибернетика. Возникла в 40-х годах, когда Норбер Винер выдвинул идею о том, что системы управления в живых, неживых и искусственных системах обладают общими чертами. Кибернетику можно рассматривать как прикладную информатику в области создания и использования автоматизированных систем управления различной степени сложности.

Программирование. Это научное направление своим появлением полностью обязано вычислительным машинам. С накоплением опыта программирования появилась основа для создания теоретического программирования: теория языков программирования, системное программирование (создание, трансляторов, операционных систем и т.п.), проблемно-ориентированное программирование (создание пакетов прикладных программ, банков и баз данных).

Искусственный интеллект. Пожалуй, именно искусственный интеллект определяет стратегические направления развития информатики. Основная цель работ в области искусственного интеллекта – проникнуть в тайны творческой деятельности людей, в их способности к овладению навыками, знаниями и умениями. Такая цель тесно связывает этот раздел информатики с психологией, лингвистикой, семиотикой[1].

Информационные системы. Начало этому направлению положили исследования в области анализа научно-технической документации еще до появления компьютеров. Сейчас в рамках этого направления решаются несколько основных задач:

а) изучение потоков документов с целью их минимизации, стандартизации и эффективной обработки на ЭВМ: изучение потоков информации через средства масс-медиа и ее влияние на общество;

б) исследование способов представления и хранения информации; создание банков данных;

в) создание информационно-поисковых систем;

г) создание сетей хранения, обработки и передачи информации;

д) создание корпоративных информационных систем.

Это направление тесно связано с прикладной лингвистикой и теорией информации.

Вычислительная техника. Развитие современной информатики немыслимо без компьютеров – пока единственного инструмента для работы с разнообразной информацией. С другой стороны, развитие и эффективное использование компьютеров невозможно без знания их архитектуры и принципов функционирования. Создание операционных систем, вообще всего программного обеспечения (software), разработка современной элементной базы вычислительных машин (hardware) требует знания теоретической информатики, программирования, искусственного интеллекта и других разделов информатики.

Информатика в обществе. Развитие информационной техники и технологий стало фактором, определяющим развитие общества. Современное общество можно назвать информационным. Влияние процессов информатизации на человека, на его взаимоотношения изучаются в этом разделе информатики.

В связи с тем, что в информационном обществе информация превратилась в товар, здесь же исследуются экономические аспекты информатики.

Информатика в природе. Это направление изучает информационные процессы, протекающие в биологических системах. Можно выделить три составляющих этого направления:

биокибернетка (исследование информационно-управляющих процессов в живых организмах, диагностика заболеваний, оценка биологической активности химических соединений);

бионика (поиск аналогий между живыми и неживыми системами);

биогеоценология (разработка системно-информационных моделей поддержания и сохранения равновесия природных систем и поиск таких воздействий на них, которые стабилизируют разрушающее воздействие человеческой цивилизации на биомассу Земли).

Понятие информации

Информация – одно из самых фундаментальных понятий в современной науке, наряду с веществом, энергией, пространством, временем. А фундаментальное, т.е. первичное, понятие невозможно строго определить через вторичные, или производные понятия.

Под информацией в быту понимают любые сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком (с помощью органов слуха, зрения, осязания, обоняния, вкуса) или специальными устройствами.

Под информацией в технике понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов.

Под информацией в теории информации понимают не любое сообщение или сведение, а только такое сообщение, которое уменьшает существующую до этого неопределенность в той предметной области, к которой оно относится.

Под информацией в теории управления понимают те сообщения (сигналы), которые используются для совершения активного действия, например, управленческого решения.

Под информацией в семантике[2] понимают сведения, обладающие новизной.

Под информацией в документоведении понимают все то, что зафиксировано в знаковой форме в виде документов.

Таким образом, в узком смысле информацией можно назвать сведения о предметах, фактах, понятиях некоторой предметной области.

С середины CC века информация рассматривается в широком смысле как общенаучное понятие, включающее в себя как совокупность сведений об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, так и обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами между живой и неживой природой, в животном и растительном мире, а также генетическую информацию.

Информация всегда предусматривает существование ее источника и ее потребителя (получателей).

Информация, представленная в формализованном виде, удобном для ее сбора, пересылки, хранения, обработки, получила название "данные".

Совокупность полезной информации, правил и процедур ее обработки, необходимая для получения новой информации о какой-либо предметной области называют знанием.

Знания - результат подготовительной деятельности человеческого интеллекта; их характерной чертой является динамичность и творческий характер. Если же знания отчуждаются от человека, то приобретают автономный закрытый характер, лишаются творческого начала, обретают статичность, тогда они превращаются в информацию (прибегая к образному изложению, информация - это знания минус человек).

Знаниями, преобразованными в информацию, оперируют системы искусственного интеллекта, выдавая новые решения. Возвращаясь к человеку и поступая в его распоряжение, достигнутые с помощью компьютера решения обретают все свойственные знанию качества. Таким образом, между знаниями и информацией происходит неизменный процесс преобразования, и исходной величиной в этом процессе являются знания.

1. Системы счисления и признаки делимости

1.1. Запись натуральных чисел в десятичной системе счисления

Назовем десятичной записью натурального числа n представление в виде суммы следующего вида: n = n_k×10^k + n_k-110^k-1 +...+ n₀. Здесь n_k,n_k-1,...n₀ - целые неотрицательные числа, принимающие значения,1,2,3,4,5,6,7,8,9. При этом n_k¹0. Для краткости пишут так: (черта сверху позволяет отличить эту запись от произведения чисел n=n_kn_k-1...n₀; если вместо букв пишутся цифры, то черта не нужна).

Люди настолько привыкли к десятичной записи натуральных чисел, что отождествляют числа и их записи. Однако не следует путать эти два понятия.

1.2. Запись чисел в других позиционных системах счисления

Уже говорилось, что наряду с десятичной системой записи чисел применялись иные системы: двенадцатеричная, двадцатеричная, шестидесятеричная. Сейчас в вычислительных машинах применяют двоичную, восьмеричную и шестнадцатиричную системы записи чисел. Все эти системы записи чисел основаны на одном принципе. Выбирается натуральное число р, большее единицы, основание системы счисления. Точно так же, как и в случае десятичной системы счисления, доказывается, что любое натуральное число можно единственным образом записать в виде суммы:

n = n_kp^k + n_k-1p^k-1 +...+ n₀. где все n_s меньше р, причем n_k¹0. Эту сумму кратко записывают так: (индекс р внизу указывает на основание системы счисления). Например, запись n=475₈ означает, что n=4×8²+7×8+5=256+56+5=317. (если основание системы счисления не указано, то считается, что число записано в десятичной системе счисления).

Само число р можно записать в виде p=1×p+0, и потому в p-ичной системе счисления оно пишется так: 10p. Точно так же р^k=1×p^k +0×p^k-1 +...+0, и потому записывается как 10...0p (в записи k нулей). Иными словами, в р-ичной системе счисления запись 10p означает основание системы, т.е. число р, а запись 10...0p (k нулей) – число р^k.

Количество цифр, необходимых для записи чисел в р-ичной системе счисления, равно р: 1,...,p-1. Этим объясняется, почему в вычислительных машинах применяют двоичную систему счисления: для записи чисел достаточно всего двух цифр, 0 и 1. Чтобы изобразить эти числа, в машине применяют особые устройства, которые могут находиться в двух и только двух состояниях (проводить или не проводить электрический ток, иметь намагниченность определенного знака и т.д.).

Одно и то же натуральное число может быть записано в любой из систем счисления. Чтобы из одной записи получить другую, достаточно научиться переводить любую из записей в десятичную, а десятичную – в любую другую (подобно тому как для перевода с одного языка на другой достаточно иметь словари для перевода с этих языков на русский и с русского на эти языки). Итак, разберем две задачи.

Задача 1. Пусть дана р-ичная запись числа n=. Надо найти десятичную запись того же числа. Для этого достаточно вместо написать n_kp^k+n_k-1p^k-1 +...+n₀, а потом заменить n_k,...,n₀ и р их десятичными записями и выполнить по правилам, принятым в десятичной системе, обозначенные действия. Десятичная запись результата и будет искомым ответом.

Пример. Получим десятичную запись для числа 362₇. Имеем:

362₇=3×7²+6×7+2=191. Значит, 362₇=191.

Пример. Получим десятичную запись для числа A4B₁₂, где A – новая цифра, обозначающая в двенадцатеричной системе счисления число 10, а B – цифра для числа 11.

Имеем: A4B₁₂ = 10×12²+4×12+11 = 1499.

Задача 2. Найдем р-ичную запись для числа, заданного десятичной записью. Пусть n = n_kp^k + n_k-1p^k-1 +...+ n₀. Это число можно записать в виде: n=р.(n_kp^k-1 + n_k-1p^k-2 +...n₁) + n₀. Так как n<р, то из этой записи видно, что n₀ – остаток от деления числа n на р, причем неполным частным при этом делении будет (n_kp^k-1 + n_k-1p^k-2 +...n₁). Точно так же находим, что n₁ - остаток от деления этого неполного частного на р и т.д. Таким образом, р-ичная запись числа n находится следующим образом. Число n делим (в десятичной системе счисления) на p. Остаток от деления даст последнюю цифру n₀ в р-ичной записи n. Неполное частное снова делим на р. Новый остаток даст предпоследнюю цифру р-ичной записи n. Продолжая процесс деления, найдем все цифры р-ичной записи числа n.

46½2 0½23½ 2 1½11½2 1½5½2 1½2½2 0½1½2 1½0

Пример. Найдем двоичную запись числа 46. Расположим деление следующим образом. Записывая остатки, начиная с последнего, получаем 46=1011102. Проверим ответ, переведя 101 1102 обратно в десятичную систему счисления: 101 1102=1×2^5+0×2^4+1×2^3+1×2^2+1×2^1+0=32+8+4+2=46.

19510 ½12 10 ½1625 ½12 5 ½135 ½12 3 ½11 ½12 11 ½0

Пример. Найдем двенадцатеричную запись числа 19510. Для остатков 10 и 11 используем новые цифры A и B соответственно. Тогда запись числа 19510 имеет вид: 19510 = B35A12.

2134½ 8 6 ½266½ 8 2½ 33 ½8 1 ½4 ½8 4 ½0

Пример. Переведем число 320145 в восьмеричную систему счисления. Сначала переведем 320145 в десятичную систему счисления: 320145=3×5^4+2×5^3+0×5^2+1×5+4=2134. А теперь 2134 переведем в восьмеричную систему счисления: Значит, 320145=41268.

Видно, что при увеличении основания системы количество цифр в записи данного числа уменьшается, но приходится использовать большее число различных цифр.

Разумеется, возможен непосредственный перевод из p-ичной системы счисления в q-ичную.

1.3. Сложение чисел в позиционных системах счисления

В других системах счисления числа складывают точно так же, как и в десятичной. Надо лишь знать таблицу сложения однозначных чисел в этой системе счисления. Например, в двоичной системе таблица сложения имеет очень простой вид:

в двоичной системе

a b	0	1
0	0	1
1	1	10

в восьмеричной системе счисления

a b	0	1	2	3	4	5	6	7
0	0	1	2	3	4	5	6	7
1	1	2	3	4	5	6	7	10
2	2	3	4	5	6	7	10	11
3	3	4	5	6	7	10	11	12
4	4	5	6	7	10	11	12	13
5	5	6	7	10	11	12	13	14
6	6	7	10	11	12	13	14	15
7	7	10	11	12	13	14	15	16

в троичной системе

a b	0	1	2
0	0	1	2
1	1	2	10
2	2	10	11

Приведем примеры сложения в этих системах счисления:

101 111 011₂ 121 011₃ 103 571₈

+ 11 011 101₂ + 22 120₃ +235 746₈

1001 011 000₂ 220 201₃ 341 537₈

1.4. Умножение чисел в позиционных системах счисления

В других системах счисления умножение чисел проводится точно так же, как и в десятичной. Надо лишь знать таблицу умножения однозначных чисел в этой системе счисления. Ниже приводятся такие таблицы для p=2,3,8.

в двоичной системе

a b	0	1
0	0	0
1	0	1

в восьмеричной системе счисления

a b	0	1	2	3	4	5	6	7
0	0	0	0	0	0	0	0	0
1	0	1	2	3	4	5	6	7
2	0	2	4	6	10	12	14	16
3	0	3	6	11	14	17	22	25
4	0	4	10	14	20	24	30	34
5	0	5	12	17	24	31	36	43
6	0	6	14	22	30	36	44	52
7	0	7	16	25	34	43	52	61

в троичной системе

a b	0	1	2
0	0	0	0
1	0	1	2
2	0	2	11

Например, 358 ´ 478 313 164 . 21538

Для проверки заметим, что 358=3×8+5=29, 478=4×8+7=39, 21538=2×8^3+1×8^2+5×8^1+3=1131, a 29×39 = 1131.

1.5. Делимость целых неотрицательных чисел

Свойства отношения делимости в множестве Z_o неотрицательных целых чисел. Для краткости вместо слов "целое неотрицательное число" будем писать "число". Говорят, что число а делится на число b, если существует такое число с, что а=b×с. В этом случае пишут а b.

Приведем некоторые свойства отношения делимости.

1) Число 0 делится на любое число, ("bÎZ_o) 0 b.

2) Ни одно отличное от нуля число не делится на 0: ("bÎZ_o) b 0.

3) Любое число делится на 1, ("bÎZ_o) b 1.

4) Отношение делимости рефлексивно, т.е. любое число делится на себя, ("bÎZ_o) b b.

5) Если ab и a>0, то а ³ b.

6) Отношение делимости антисимметрично: ("a,bÎZ_o) (a bÙ b a)Þ (a=b).

7) Отношение делимости транзитивно, т.е. из аb и bс следует, что ас : ("a,b,cÎZ_o) (аb и bс) Þ (a c).

8) Если числа а и b делятся на с, то и их сумма делится на с: ("a,bÎZ_o) (a c Ù b c) Þ (a+b) c.

Доказанное утверждение справедливо и в случае, когда число слагаемых больше двух. Если каждое из чисел a₁, ... ,a_n делится на с, то и их сумма a₁+ ...+a_n делится на с.

9) Если число а делится на с, то и все числа вида ах (" xÎZ_o) делятся на с. Из свойств 8) и 9) вытекает полезное следствие: Если числа a₁, ... ,a_n делятся на с, то, каковы бы ни были числа x₁, ... ,x_n, число a₁x₁+...+a_nx_n делится на с.

10) Если число ас делится на bc, причем с¹0, то а делится на b.

Признаки делимости. Признаком делимости на число а называют правило, позволяющее по записи числа х в десятичной (или иной позиционной) системе счисления узнавать, делится ли оно на а, не выполняя непосредственно деления х на а.

Рассмотрим некоторые признаки делимости в десятичной системе счисления.

1) Выведем признак делимости на 2. Запишем число х в десятичной системе счисления: x=x_n10ⁿ+...+x₁10+x_o. Число 10 делится на 2 и потому каждое из чисел 10, 10², ..., 10ⁿ делится на 2. Поэтому в силу следствия из свойств 8) и 9) число у=x_n10ⁿ+...+x₁10 тоже делится на 2. Таким образом, число х является суммой числа у, делящегося на 2, и числа x_o. Значит, оно делится на 2 в том и только в том случае, когда x_o делится на 2. Это будет в случае, когда x_o равно одному из чисел 0,2,4,6,8. Мы доказали следующий признак делимости на 2. Число х делится на 2 в том и только в том случае, когда его десятичная запись кончается одной из цифр 0,2,4,6,8. Для краткости речи мы называем однозначные числа 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 цифрами (на самом деле цифры – это лишь запись таких чисел). Цифры 0,2,4,6,8 называются четными, а остальные – нечетными. Тогда признак делимости на 2 можно сформулировать так: Число х делится на 2 в том и только в том случае, когда последняя цифра его десятичной записи четна.

2) Точно так же доказывается признак делимости на 5. Так как 10 делится на 5, то и все числа 10, ..., 10ⁿ делятся на 5, а потому у=x_n10ⁿ+...+x₁10 делится на 5. Поэтому число x=x_n10ⁿ+...+x₁10+x_o.делится на 5 в том и только в том случае, когда x_o делится на 5. А это возможно когда x_o =0 или x_o =5. Итак, мы доказан следующий признак делимости на 5. Число делится на 5 в том и только в том случае, когда его десятичная запись кончается цифрами 0 или 5.

3) Чтобы вывести признак делимости на 4, заметим, что 100=4×25, и потому 100 делится на 4. Но тогда делятся на 4 и числа 1000, 10000 ¼, т.е. числа вида 10ⁿ, n>2. Пусть десятичная запись числа х имеет вид: x=x_n10ⁿ+...+x₁10+x_o. Тогда по доказанному слагаемое x=x_n10ⁿ+...+x₂100 делится на 4. Значит, х делится на 4 в том и только том случае, когда x₁10+x_o делится на 4. Для того чтобы число х делилось на 4, необходимо и достаточно, чтобы на 4 делилось число, образованное последними двумя цифрами десятичной записи этого числа. Например, 6832 делится на 4, потому что 32 делится на 4. А 8962 не делится на 4, потому что 62 не делится на 4.

4) Точно так же, как признак делимости на 4, выводится признак делимости на 25. Число х делится на 25 в том и только в том случае, когда его десятичная запись заканчивается либо на 00, либо на 25, либо на 50, либо на 75. Например, 4825 делится на 25, а 92654 не делится на 25.

5) Вывед признаков делимости на 3 и на 9. Для этого докажем сначала, что все числа вида 10ⁿ-1 делятся на 9. В самом деле, десятичная запись таких чисел имеет вид: 10ⁿ-1=9×10^n-1+...+9×10+9 = 9×(10^n-1+...+10+1) (например, 10⁴-1=9×1111). Отсюда следует, что 10ⁿ-1 делится на 9. Поскольку 93, то по свойству 7) отношения делимости (10ⁿ-1) 3. Число x=x_n10ⁿ+...+x₁10+x_o можно записать в виде x={x_n(10ⁿ-1)+...+x₁(10-1)}+ x_n + x_n-1+…+ x_o. Так как каждое из чисел 10ⁿ-1, ..., 10-1 делится на 3, то сумма {x_n(10ⁿ-1)+...+x₁(10-1)} делится на 3. Поэтому число х делится на 3 в том и только том случае, когда сумма (x_n + x_n-1+…+ x_o.) делится на 3. Эту сумму называют суммой цифр данного числа (как мы уже говорили, это название не совсем точно, так как цифры – это не числа, а запись чисел). Итак, признак делимости на 3 читается так: Число х делится на 3 в том и только в том случае, когда сумма цифр его десятичной записи делится на 3.

Например, число 65124 делится на 3,так как 6+5+1+2+4=18, а 18 делится на 3.

Признак делимости на 9 выводится точно так же, если учесть, что числа (10ⁿ-1),...,(10-1) делятся не только на 3, но и на 9. Число х делится на 9 в том и только в том случае, когда сумма цифр его десятичной записи делится на 9.

Для вывода признаков делимости на 8 и 125 можно использовать равенство 1000=125×8.

Для вывода признаков делимости на 11 можно использовать равенства 99=9×11 или 11=10+1.

Для вывода признаков делимости на 27 и 37 можно использовать равенство 999=27×37.

2. Информационные процессы, компьютеры и программы

2.1. Информационные процессы в природе, обществе, технике.

Информационная деятельность человека.

В современном мире роль информатики, средств обработки, передачи, накопления информации неизмеримо возросла. Средства информатики и вычислительной техники сейчас во многом определяют научно-технический потенциал страны, уровень развития ее народного хозяйства, образ жизни и деятельности человека.

Для целенаправленного использования информации ее необходимо собирать, преобразовывать, передавать, накапливать и систематизировать. Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, будем называть информационными процессами.

Получение и преобразование информации является необходимым условием жизнедеятельности любого организма. Даже простейшие одноклеточные организмы постоянно воспринимают и используют информацию (например, о температуре и химическом составе среды) для выбора наиболее благоприятных условий существования. Живые существа способны не только воспринимать информацию из окружающей среды с помощью органов чувств, но и обмениваться ею между собой.

Человек также воспринимает информацию с помощью органов чувств, а для обмена информацией между людьми используются языки. За время развития человеческого общества таких языков возникло очень много. Роль языка для человечества исключительно велика – без языка, без обмена информацией между людьми было бы невозможным возникновение и развитие общества.

Информационные процессы характерны не только для живой природы, человека, общества. Созданы технические устройства – автоматы, работа которых связана с процессами получения, передачи и хранения информации. Например, автоматическое устройство, называемое термостатом, воспринимает информацию о температуре помещения и в зависимости от заданного температурного режима – включает или отключает отопительные приборы.

Деятельность человека, связанную с процессами получения, преобразования, накопления и передачи информации, называют информационной деятельностью.

Тысячелетиями предметами труда людей были материальные объекты. Все орудия труда от каменного топора до первой паровой машины, электромотора или токарного станка были связаны с обработкой вещества, использованием и преобразованием энергии. Вместе с тем человечеству пришлось решать задачи управления, задачи накопления, обработки и передачи информации, опыта, знания, возникают группы людей, чья профессия связана исключительно с информационной деятельностью. В древности это были военачальники, жрецы, летописцы, затем – учителя, ученые,¼ .

Однако число людей, которые могли воспользоваться информацией из письменных источников, было ничтожно мало. Во-первых, грамотность была привилегией крайне ограниченного круга лиц и, во-вторых, древние рукописи создавались в единичных (иногда единственных) экземплярах.

Новой эрой в развитии обмена информацией стало изобретение книгопечатания. Благодаря печатному станку, созданному И. Гутенбергом в 1440 году, знания, информация стали широко тиражируемыми, доступными многим людям. Это послужило мощным стимулом для увеличения грамотности населения, развития образования, науки, производства.

По мере развития общества постоянно расширялся круг людей, чья профессиональная деятельность была связана с обработкой и накоплением информации. Постоянно рос и объем человеческих знаний, опыта, а вместе с ним количество книг, рукописей и других письменных документов. Появилась необходимость создания специальных хранилищ этих документов – библиотек, архивов. Информацию, содержащуюся в книгах и других документах, необходимо было не просто хранить, а упорядочивать, систематизировать. Так возникли библиотечные классификаторы, предметные и алфавитные каталоги и другие средства систематизации книг и документов, появились профессии библиотекаря, архивариуса.

В результате научно-технического прогресса человечество создавало все новые средства и способы сбора, хранения, передачи информации. Но важнейшее в информационных процессах – обработка, целенаправленное преобразование информации осуществлялось до недавнего времени исключительно человеком. Вместе с тем постоянное совершенствование техники, производства привело к резкому возрастанию объема информации, с которой приходится оперировать человеку в процессе его профессиональной деятельности. Развитие науки, образования обусловило быстрый рост объема информации, знаний человека. Если в начале прошлого века общая сумма человеческих знаний удваивалась приблизительно каждые пятьдесят лет, то в последующие годы – каждые пять лет.

Выходом из создавшейся ситуации стало создание компьютеров, которые во много раз ускорили и автоматизировали процесс обработки информации. Первая электронная вычислительная машина "ЭНИАК" была разработана в США в 1946 году. В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году под руководством академика В.А. Лебедева.

В настоящее время компьютеры используются для обработки не только числовой, но и других видов информации. Благодаря этому информатика и вычислительная техника прочно вошли в жизнь современного человека, широко применяются в производстве, бизнесе и многих других отраслях.

Компьютеры в производстве используются на всех этапах: от конструирования отдельных деталей изделия, его дизайна до сборки и продажи. Системы автоматизированного проектирования и производства позволяют создавать чертежи, сразу получая общий вид объекта, управлять станками-автоматами и производством в целом. Гибкая производственная системы позволяют быстро реагировать на изменение рыночной ситуации, оперативно расширять или сворачивать производство изделия или заменять его другим. Относительная легкость перевода конвейера на выпуск новой продукции дает возможность производить множество различных моделей изделия. Компьютеры позволяют быстро обрабатывать информацию от различных датчиков, в том числе от автоматизированной охраны, от датчиков температуры для регулирования расходов энергии на отопление, от банкоматов, регистрирующих расход денег клиентами, от сложной системы томографа, позволяющей "увидеть" внутреннее строение органов человека и помочь правильно поставить диагноз.

Компьютер находится на рабочем столе специалиста любой современной профессии. Он позволяет не выходя из дома связаться по специальной компьютерной почте с любой точкой земного шара, подсоединиться к фондам крупных библиотек, использовать мощные информационные системы – энциклопедии, изучать новые науки и приобретать различные навыки с помощью обучающих программ и тренажеров. Модельеру он помогает разрабатывать выкройки, издателю компоновать текст и иллюстрации, художнику – создавать новые картины, а композитору – музыку. Дорогостоящий эксперимент может быть имитирован на компьютере.

Разработка способов и методов представления информации, технологии решения задач с использованием компьютеров, стала важным аспектом деятельности людей многих профессий.

2.2. Информация и управление. Системы управления по обратной связи

Преобразование и целенаправленная обработка информации – важнейший из информационных процессов.

Преобразование информации о состоянии окружающей среды, выбор на основе этой информации наиболее целесообразного поведения – постоянная функция мозга и нервной системы человека или животного. Решение задачи, встающей перед человеком в любом виде его деятельности, – также процесс преобразования исходной информации в информацию, отражающую результат решения этой задачи. Преобразование, анализ информации – основа выбора решений, процессов управления в любой области.

В качестве простейшего примера рассмотрим с этих позиций, как осуществляется процесс управления автомобилем. В процессе управления человек с помощью органов чувств воспринимает информацию об окружающей среде (состояние дороги, дорожные знаки, сигналы светофора, наличие встречного транспорта, пешеходов и т.д.). Эта информация от органов чувств через нервную систему передается в мозг человека, где преобразуется в другую информацию – последовательность сигналов, передающихся по нервным путям и управляющих движением ног и рук водителя, воздействующих на руль, сцепление, тормоза и другие устройства автомобиля. Данный пример показывает, что без информации, ее передачи, преобразования и использования управление невозможно. В основе любого процесса управления лежат информационные процессы.

В любом процессе управления всегда происходит взаимодействие двух систем – управляющей и управляемой. Если они соединены каналами прямой и обратной связи, то такую систему называют замкнутой или системой с обратной связью.

Канал обратной связи Канал прямой связи

По каналу прямой связи передаются сигналы (команды) управления, вырабатываемые в управляющем органе. Подчиняясь этим командам, управляемый объект осуществляет свои рабочие функции. В свою очередь, управляемый объект соединен с управляющим органом

каналом обратной связи, по которому поступает информация о состоянии управляемого объекта. В управляющем органе эта информация используется для выработки новых сигналов управления, направляемых к управляемому объекту. Рассмотрим простейший пример управления – поддержание постоянно заданной температуры в электрической печи (или термостате). Выполняя эту задачу вручную (без применения средств автоматики), человек должен: 1) наблюдать за показаниями термометра, 2) сравнивать эти показания с заданной температурой и 3) при наличии разности между заданным и наблюдаемым значениями передвигать ползунок регулируемого реостата, изменяя силу тока и температуру электронагревательного прибора таким образом, чтобы эта разность стремилась к нулю.

Структура автоматической системы, предназначенной для решения такой задачи, сводится к схеме, изображенной на рисунке.

Датчик (измерительный орган) измеряет величину, подлежащую регулированию (температуру) и преобразует ее в другую величину, более удобную для использования в управляющем органе.Последний воспринимает эту информацию, сравнивает ее с заданным значением и при наличии расхождения передает соответствующую команду на исполнительный орган, который и восстанавливает заданное значение регулируемой величины (в нашем случае – температуры). В качестве исполнительных органов используются устройства, непосредственно воздействующие на технологический процесс (двигатели, электромагниты и т. п.).

Такие системы представляют собой типичный пример систем автоматического регулирования.

2.3. Магистральномодульный принцип построения компьютера

В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между модулями.

Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям), соединяющим все модули: шине данных, шине адресов и шине управления.

Разрядность шины данных связана с разрядностью процессора (имеются 8-, 16-, 32-, 64-разрядные процессоры).

Данные по шине данных могут передаваться от процессора к какому-либо устройству, либо, наоборот, от устройства к процессору, т.е. шина данных является двунаправленной. К основным режимам работы процессора с использованием шины данных можно отнести следующие: запись/чтение данных из оперативной памяти, запись/чтение данных из внешней памяти, чтение данных с устройства ввода, пересылка данных на устройство вывода.

Процессор		Оперативная память
¯		¯
Шина данных
Шина адреса		МАГИСТРАЛЬ
Шина управления
¯	¯		¯
Устройства ввода:	Внешняя память:		Устройства вывода:
Клавиатура	НГМД		Дисплей
Мышь или трекболл	НЖМД		Принтер
Микрофон	CD-ROM		Акустические колонки
Сканер			Плоттер

Выбор абонента по обмену данными производит процессор, который формирует код адреса данного устройства, а для оперативной памяти код адреса ячейки памяти. Код адреса передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении от процессора к оперативной памяти и устройствам, т.е. шина адреса является однонаправленной.

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой процессором памяти. Имеются 16-, 20-, 24- и 32-разрядные шины адреса.

Каждой шине соответствует свое адресное пространство, т.е. максимальный объем адресуемой памяти: 2¹⁶ = 64 Кб;

2²⁰ = 1 Мб; 2²⁴ = 16Мб; 2³² = 4 Гб.

В персональных компьютерах величина адресного пространства процессора и величина фактически установленной оперативной памяти практически всегда различаются.

В первых отечественных персональных компьютерах величина адресного пространства была иногда меньше, чем величина реально установленной в компьютере оперативной памяти. Обеспечение доступа к такой памяти происходило на основе поочередного (так называемого постраничного) подключения дополнительных блоков памяти к адресному пространству.

В распространенных персональных компьютерах с 32-разрядной шиной адреса величина адресуемой памяти составляет 4 Гб, а величина фактически установленной оперативной памяти значительно меньше и составляет обычно 64¸512 Мб.

По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств, участвующих в обмене информацией.

Аппаратно на системных платах реализуются шины различных типов. В компьютерах использовались/используются шины ISA (Industry Standard Architecture), имющие 16-разрядную шину данных и 24-разрядную шину адреса; шины EISA (Extended Industry Standard Architecture), имеющие 32-разрядные шины данных и адреса; шины PCI (Peripheral Component Interconnect), имеющие 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса.

Подключение отдельных модулей компьютера к магистрали на физическом уровне осуществляется с помощью контроллеров, адаптеров устройств (видеоадаптер, контроллер жестких дисков и т.д.), а на программном уровне обеспечивается загрузкой в оперативную память драйверов устройств, которые обычно входят в состав операционной системы.

Контроллер жестких дисков обычно находится на системной плате. Существуют различные типы контроллеров жестких дисков, которые различаются по количеству подключаемых дисков, скорости обмена информацией, максимальной емкости диска и др.

Подключение других периферийных устройств требует установки в компьютер дополнительных адаптеров (плат).

В стандартный набор контроллеров, разъемы которых имеются в системном блоке компьютера, обычно входят:

· видеоадаптер (с помощью него обычно подключается дисплей);

· последовательные порты СОМ1, COM2, ¼ (в них могут подключатся мышь, модем и другие устройства); порт – это точка подключения внешнего устройства к внутренней шине;

· параллельный порт (в них могут подключатся сканеры, принтеры¼);

· контроллер клавиатуры;

· USB – порты универсального назначения.

Через последовательный порт единовременно может передаваться 1 бит данных в одном направлении, причем данные от процессора к периферийному устройству и в обратную сторону, от периферийного устройства к процессору, передаются по разным проводам. Максимальная дальность передачи составляет обычно несколько десятков метров, а скорость до 115200 бод (бод=бит/сек). Устройства подключаются к этому порту через стандартный разъем RS-232.

Через параллельный порт может передаваться в одном направлении одновременно 8 бит данных. К этому порту устройства подключаются через разъем Centronics.

2.4. Основные характеристики процессора компьютера

Процессор компьютера предназначен для обработки информации. Каждый процессор имеет определенный набор базовых операций (команд), например, одной из таких операций является операция сложения двоичных чисел.

Технически процессор реализуется на большой интегральной схеме, структура которой постоянно усложняется, и количество функциональных элементов (типа диод или транзистор) на ней постоянно возрастает (от 30 тысяч в процессоре 8086 до десятков миллионов в современных процессорах).

Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его тактовая частота. От нее, в частности, зависит количество базовых операций, которые производит процессор в секунду. За последние годы тактовая частота процессоров увеличилась на порядки – от 4 МГц (процессор 8086, 1978 г.) до нескольких ГГц).

Другой характеристикой процессора, влияющей на его производительность, является разрядность. В общем случае производительность процессора тем выше, чем больше его разрядность. В настоящее время используются 8-, 16-, 32- и 64-разрядные процессоры, причем практически все современные программы рассчитаны на 32- и 64-разрядные процессоры.

Иногда уточняют разрядность процессора и пишут, например, 64/32, что означает, что процессор имеет 64-разрядную шину данных и 32-разрядную шину адреса. Разрядность адресной шины определяет адресное пространство процессора, т.е. максимальный объем оперативной памяти, который может быть установлен в компьютере.

Производительность процессора является интегральной характеристикой, которая зависит от частоты процессора, его разрядности, а также особенностей архитектуры (наличие кэш-памяти и др.). Производительность процессора нельзя вычислить, она определяется в процессе тестирования, т.е. определения скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде.

Увеличение производительности процессоров может достигаться различными путями. В частности, за счет введения дополнительных базовых операций.

2.5. Организация и основные характеристики памяти компьютера

Большое количество программ и данных, необходимых пользователю, долговременно хранятся во внешней памяти компьютера (на гибких и жестких магнитных дисках, CD-ROM и др.). В оперативную память компьютера загружаются те программы и данные, которые необходимы в данный момент.

По мере усложнения программ и увеличения их функций, а также появления мультимедиа-приложений растет информационный объем программ и данных. Если в середине 80-х годов обычный объем программ и данных составлял десятки и лишь иногда сотни килобайт, то в последнее время он стал составлять десятки и сотни мегабайт. Соответственно растет объем оперативной памяти. В обычных современных персональных компьютерах он обычно составляет 64¸512Мбайт.

Логически оперативная память разделена на ячейки объемом 1 байт (имеющий 8 двоичных разрядов – бит). Соответственно 1 килобайт (кб) = 2¹⁰байт = 1024 байт; 1 мегабайт (Мб) = 2¹⁰ кб = 1024 килобайт и т.д.

Каждая ячейка имеет свой уникальный двоичный адрес. При необходимости проведения операции считывания/записи данных из данной ячейки адрес ячейки передается от процессора к оперативной памяти по адресной шине.

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти процессора и, соответственно, максимальный объем оперативной памяти, которую можно непосредственно использовать. Разрядность шины адреса у большинства современных персональных компьютеров составляет 32 разряда, т.е. максимальный объем оперативной памяти может составлять 2³² = 4 Гб.

Физически оперативная память изготавливается в виде больших интегральных схем различных типов, имеющих различную информационную емкость (64, 128, 256, 512 Мб и т.д.). Различные системные платы имеют различные наборы разъемов для модулей оперативной памяти.

Модули оперативной памяти характеризуются временем доступа к информации (считывания/записи данных). В современных модулях время доступа обычно составляет единицы наносекунд (1нc = 10^-9с).

2.6. Внешняя память компьютера.

Носители информации (гибкие и жесткие диски, CD-ROM-диски)

Основное назначение внешней памяти компьютера – долговременное хранение большого количества различных файлов (программ, данных и т.д.). Устройство, которое обеспечивает запись/считывание информации, называется накопителем, а хранится информация на носителях. Наиболее распространенными являются накопители следующих типов:

· накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) двух различных типов, рассчитанные на диски диаметром 5,25" (емкость 1,2 Мб) и диски диаметром 3,5" (емкость 1,44 Мб);

· накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД, HDD) информационной емкостью сотен Гб;

· накопители CD-ROM для CD-ROM-дисков емкостью до нескольких Гб,

· электронные и магнито-оптические накопители.

Для пользователя имеют существенное значение некоторые технико-экономические показатели: информационная емкость, скорость обмена информацией, надежность ее хранения и, наконец, стоимость накопителя и носителей к нему.

В основу записи, хранения и считывания информации положены два физических принципа, магнитный и оптический, В НГМД и НЖМД используется магнитный принцип. При магнитном способе запись информации производится на магнитный носитель (диск, покрытый ферромагнитным лаком) с помощью магнитных головок.

В процессе записи головка с сердечником из магнитомягкого материала (малая остаточная намагниченность) перемещается вдоль магнитного слоя магнитожесткого носителя (большая остаточная намагниченность). Электрические импульсы создают в головке магнитное поле, которое последовательно намагничивает (1) или не намагничивает (0) элементы носителя.

При считывании информации намагниченные участки носителя вызывают в магнитной головке импульс тока (явление электромагнитной индукции).

Носители информации имеют форму диска и помещаются в пластмассовый корпус (3,5"). В центре диска имеется отверстие (или приспособление для захвата) для обеспечения вращения диска в дисководе, которое производится с постоянной угловой скоростью 300 об/с. В дискетах 3,5" имеется защита от записи – предохранительная защелка в левом нижнем углу пластмассового корпуса.

Диск должен быть форматирован, т.е. должна быть создана физическая и логическая структура диска. В процессе форматирования на диске образуются концентрические дорожки, которые делятся на сектора, для этого головка дисковода расставляет в определенных местах диска метки дорожек и секторов.

Например, на гибком диске формата 3,5":

дорожек на одной стороне – 80;	размер сектора – 512 байт;
сторон – 2;	количество секторов на дорожке – 18.

Жесткие магнитные диски состоят из нескольких дисков, размещенных на одной оси и вращающихся с большой угловой скоростью (до десятков тысяч об/мин), заключенных в металлический корпус. Большая информационная емкость жестких дисков достигается за счет увеличения количества дорожек на каждом диске до тысяч, и количества секторов на дорожке. Большая угловая скорость вращения дисков позволяет достигать высокой скорости считывания/записи информации (более 5 Мб/с).

CD-ROM-накопители используют оптический принцип чтения информации. Информация на CD-ROM-диске записана на одну спиралевидную дорожку (как на грампластинке), содержащую чередующиеся участки с различной отражающей способностью. Лазерный луч падает на поверхность вращающегося CD-ROM-диска, интенсивность отраженного луча соответствует значениям 0 или 1. С помощью фотопреобразователя эти данные преобразуются в последовательности электрических импульсов.

Скорость считывания информации в CD-ROM-накопителе зависит от скорости вращения диска. Первые CD-ROM-накопители были односкоростными и обеспечивали скорость считывания информации 150 Кб/с, в настоящее время все большее распространение получают 52-скоростные CD-ROM-накопители.

Информационная емкость CD-ROM-диска может достигать нескольких гигабайт.

2.7. Классификация программного обеспечения

Для функционирования персонального компьютера (ПК) необходима как аппаратная часть (hardware), так и программное обеспечение (software).

По функциональному признаку программное обеспечение подразделяют на системное и прикладное.

Системное программное обеспечение (ПО) организует процесс обработки информации в компьютере и обеспечивает нормальную рабочую среду для прикладных программ. В состав системного ПО входят:

· операционные системы;

· трансляторы языков программирования;

· сервисные (обслуживающие) программы.

Операционные системы (ОС) - это совокупность программных средств, осуществляющих управление выполнением программ, управление данными, управление ресурсами компьютера (оперативной и дисковой памятью, программами и др.), обеспечивающих взаимодействие всех аппаратных компонент составных ПК (клавиатуры, монитора, принтера, и т.д.), а также диалог пользователя с компьютером.

Трансляторы языков программирования – это программы, осуществляющие перевод текстов программ с одного языка на другой, обычно в машинный код.

Наиболее распространенные языки программирования: Basic, Pascal, Fortran, C++. Активно развиваются языки четвертого поколения – языки объектного программирования: Visual Basic, Visual C++, Java.

Сервисное программное обеспечение расширяет возможности операционных систем и представляет пользователю дополнительные услуги в работе с компьютером.

По функциональным возможностям сервисные средства можно подразделить на:

· улучшающие пользовательский интерфейс;

· защищающие данные от разрушения и несанкционированного доступа и восстанавливающие данные (например, комплекс утилит Norton Utilities);

· архивации-разархивации (ARJ, RAR, PKZIP, WinRAR, WinZIP и др.);

· антивирусные средства (комплект DSAV (Dialog Science AntiVirus) компании ЗАО "ДиалогНаука", состоящий из программ Dr.Web, Adinf, Sheriff, Aidtest, пакеты программ AVP (Antiviral Toolkit Pro) компании "Лаборатория Касперского", Norton Antivirus компании Symantec, Dr. Solomon компании Dr. Solomon Software и др.);

· программы тестирования и автоматического поиска ошибок и неисправностей (Check-It, TroubleShooter, ScanDisk и др.).

По способу организации и реализации сервисные программы представлены оболочками, утилитами и отдельными автономными программами.

Прикладное программное обеспечение служит для решения конкретных практических задач. В него входят пакеты прикладных программ и программы пользователя.

Наиболее распространенными пакетами прикладных программ общего назначения являются текстовые процессоры, электронные таблицы, системы управления базами данных, графические редакторы и интегрированные пакеты.

Текстовые процессоры – это программы для подготовки текстовых документов (MS Word, Corel Word Perfect и пр.).

Их функции: запись текста и математических формул в файл, проверка орфографии, форматирование текста, экспорт иллюстраций, файлов из других приложений и т.д.

Электронные таблицы применяются для хранения данных в двумерной табличной форме и работы с этими данными – вычислений, формирования диаграмм, распечатки таблиц, диаграмм и деловой графики (MS Excel, Lotus 1-2-3, QuattroPro и пр.).

Системы управления базами данных (СУБД) предназначены для обработки больших объемов данных, которые могут иметь сложную структуру связей и ссылок (MS Access, Paradox, dBASE, FoxPro).

Средствами СУБД можно проводить следующие операции:

1) проектирование базовых объектов информационных систем – двумерных таблиц с разными типами данных;

2) установка межтабличных связей с поддержкой целостности данных;

3) ввод, хранение, просмотр, сортировка, изменение и выборка данных из таблиц;

4) создание, модификация и использование специальных объектов бах данных, таких как форма, запрос, отчет, которые помогают извлекать, преобразовывать и предоставлять информацию из баз данных пользователю.

Графические системы предназначены для обработки графических документов – иллюстраций, схем, чертежей, графиков (MS PowerPoint, Lotus Freelance Graphics, AutoCAD, СorelDraw, Adobe Photoshop и др.).

Интегрированные пакеты представляют собой совокупность программных средств различного назначения с единым пользовательским интерфейсом, совместно использующих одни и те же данные. Стандартный набор включает в себя вышеперечисленные пакеты прикладных программ (MS Office, Corel Office, Lotus SmartSuite).

Важнейшей частью системного ПО является операционная система, которая начинает работать при включении персонального компьютера одновременно с аппаратными средствами. С точки зрения пользователя ОС – продолжение аппаратных средств ПК.

Операционные системы можно классифицировать по различным признакам:

· по типу интерфейса: командные (текстовые) и объектно – ориентированные (графические);

· по разрядности кода ОС: 8-, 16-, 32-, 64- разрядные;

· по количеству одновременно работающих пользователей: одно- и многопользовательские;

· по числу процессов, одновременно выполняемых под управлением ОС: однозадачные, многозадачные;

· по количеству процессоров: одно – и многопроцессорные;

· по типу доступа к компьютеру: ОС пакетной обработки, ОС с разделением времени, ОС реального времени;

· по типу использования ресурсов: сетевые и локальные.

Наибольшее распространение среди вариантов операционных систем с командным интерфейсом получила система MS DOS (Disk Operating System), разработанная фирмой Microsoft по заказу корпорации IBM для своего первого персонального компьютера, а среди графических - Windows.

2.8. Операционная система компьютера (назначение, состав, загрузка)

Операционная система является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера (software).

Операционная система обеспечивает управление всеми аппаратными компонентами компьютера (hardware). Другими словами, операционная система обеспечивает функционирование и взаимосвязь всех компонентов компьютера, а также предоставляет пользователю доступ к его аппаратным возможностям.

К системному блоку компьютера подключаются через специальные согласующие платы (контроллеры) периферийные устройства (дисковод, принтер и т.д.). Каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по-разному и с различной скоростью, поэтому необходимо программно согласовать их работу с работой процессора. Для этого в составе операционной системы имеются специальные программы – драйверы устройств. Каждому устройству соответствует свой драйвер.

Процесс работы компьютера в определенном смысле сводится к обмену файлами между периферийными устройствами, т.е. необходимо уметь управлять файловой системой. Ядром операционной системы является программа, которая обеспечивает управление файловой системой.

Пользователь общается с компьютером через устройства ввода информации (клавиатура, мышь). После ввода команды операционной системы специальная программа, которая называется командный процессор, расшифровывает команды и исполняет их.

Процесс общения пользователя с компьютером должен быть удобным, большинство современных операционных систем (типа Windows) используют графический интерфейс.

Таким образом, в структуру операционной системы входят следующие модули:

· базовый модуль, управляющий файловой системой;

· командный процессор, расшифровывающий и выполняющий команды;

· драйверы периферийных устройств;

· модули, обеспечивающие графический интерфейс.

Файлы операционной системы находятся на жестком диске или ином носителе. Однако программы могут выполняться, только если они находятся в оперативной памяти, поэтому файлы операционной системы необходимо загрузить в оперативную память.

Все файлы операционной системы не могут одновременно находиться в оперативной памяти, так как объем современных операционных систем составляет десятки и сотни мегабайт. Для функционирования компьютера обязательно должны находиться в оперативной памяти базовый модуль, командный процессор и драйверы подключенных устройств. В операционной системах серии Windows может предлагаеться выбор варианта загрузки, представленный в виде меню.

После включения компьютера производится загрузка операционной системы в оперативную память, т.е. выполняется программа загрузки. Однако для того чтобы компьютер выполнял какую-нибудь программу, эта программа должна уже находиться в оперативной памяти. Выход из этого противоречия состоит в последовательной, поэтапной загрузке.

В соответствии с английским названием этого процесса – bootstrap, – система как бы "поднимет себя за шнурки ботинок". В системном блоке компьютера находится ПЗУ (постоянное запоминающее устройство – BIOS), в котором содержатся программы тестирования компьютера и первого этапа загрузки операционной системы. После включения компьютера эти программы начинают выполняться, причем информация о ходе этого процесса высвечивается на экране дисплея.

На этом этапе процессор обращается к диску и ищет на определенном месте (в начале диска) наличие очень небольшой программы-загрузчика BOOT. Программа-загрузчик считывается в память, и ей передается управление. В свою очередь она ищет на диске базовый модуль операционной системы, загружает его в память и передает ему управление.

В состав базового модуля операционной системы входит основной загрузчик, который ищет остальные модули операционной системы и загружает их в оперативную память.

В случае если в дисковод вставлен несистемный диск или диск вообще отсутствует, на экране дисплея появляется соответствующее сообщение.

Вышеописанная процедура запускается автоматически при включении питания компьютера (так называемый "холодный" старт), однако часто используется процедура "перезагрузки" операционной системы ("горячий" старт), которая происходит по нажатии кнопки RESET или одновременного нажатия на клавиши <Ctrl> + <Alt> + <Del>.

После окончания загрузки операционной системы она готова к работе, т.е. пользователь может начинать вводить команды операционной системы, а командный процессор их расшифровывать и выполнять. В графическом интерфейсе выбор действий (команд) производится с помощью мыши. В процессе выполнения команд осуществляется взаимодействие всех модулей операционной системы, причем необходимые в данный момент дополнительные модули могут подгружаться с диска.

Команды операционной системы – это фактически программы на машинном языке, которые размещены в файле командного процессора. Поскольку эти программы размещены непосредственно в оперативной памяти, они могут выполняться сразу (без обращения к диску). Такие команды (программы) называются резидентными.

Однако набор таких программ и их возможности ограничены. Для расширения возможностей пользователя в операционную систему вводятся дополнительные модули (программы), которые реализуют выполнение транзитных команд. После ввода транзитной команды происходит считывание с диска в оперативную память соответствующего файла (обычно одноименного), которому и передается управление.

Существует несколько наиболее распространенных операционных систем, каждая из которых ориентирована на определенное семейство процессоров и, соответственно, компьютеров.

MS-DOS (Microsoft Disk Operation System – дисковая операционная система Microsoft). Операционная система MS-DOS была разработана в начале 80-х годов для работы на компьютерах IBM PC, созданных на базе процессора 8086 фирмы Intel. MS-DOS была наиболее распространенной операционной системой с интерфейсом командной строки, которая устанавливалась на компьютерах, созданных на базе процессоров 80 286, 80 386, 80 486, Pentium. Последней версией была MS-DOS 6.22.

Microsoft Windows. Многозадачная операционная система с графическим интерфейсом Windows пришла на смену MS-DOS. В настоящее время более 90% персональных компьютеров реализованы на платформе Intel & Windows, т.е. в них установлен Intel-совместимый процессор (Pentium) и инсталлирована операционная система Windows.

К основным достоинствам современных операционных систем типа Windows следует отнести технологию "подключи и работай" (Plug-and-Play), многозадачность и графический интерфейс.

Технология "подключи и работай" позволяет даже начинающему пользователю подключить к компьютеру новое устройство (например, принтер) и продолжить работу. Windows сама установит необходимый драйвер и выделит ресурсы.

Многозадачность предоставляет пользователю возможность загрузить в оперативную память сразу несколько приложений (например, текстовый редактор Word, электронные таблицы Excel, браузер Internet Explorer и др.). Переход от работы в одном приложении в другое происходит очень быстро и просто, посредством перехода от одного открытого "окна" Windows к другому.

Графический интерфейс реализован с использованием технологии Drag-and-Drop. Это позволяет выполнять практически любые операции с помощью мыши.

OS/2 (Operation System). Операционная система OS/2 была разработана корпорацией IBM в конце 80-х годов для компьютеров PS/2 (Personal system/2). Большого распространения не получила.

Apple System (Операционная система фирмы Apple). Различные версии этой системы устанавливаются на компьютерах фирмы Apple (Macintosh, PowerPC и др.). В этой операционной системе в конце 80-х годов впервые был использован многооконный графический интерфейс и управление с помощью манипулятора типа мышь.

UNIX. На высокопроизводительных компьютерах, которые иногда называют "рабочие станции", широко распространена операционная система UNIX. Начало разработок этой системы относится к 1969 году, и к настоящему времени уже известно более 20 различных версий. В настоящее время достаточно большое количество серверов в Internet работают под управлением этой системы.

2.9. Файлы (тип, имя, местоположение). Работа с файлами

Работа на персональном компьютере в среде операционной системы фактически сводится к работе с файлами. В операционной системе Windows понятие файл часто заменяется понятием документ. Файлы создаются, записываются на диск, хранятся и считываются с него, распечатываются на принтере, пересылаются по информационным сетям и т.д.

Строгое определение понятию файла дать достаточно сложно. В первом приближении можно сказать, что файл – это определенное количество информации, хранящееся где-либо и имеющее имя. Рассмотрим это определение более подробно.

Информация на диске записана на концентрических дорожках, которые разбиты на секторы. Сектор является минимальным адресуемым элементом информации на диске. На гибком диске объем одного сектора составляет 512 байт, на жестких дисках его величина больше.

Файл хранится на диске. Следовательно, минимальный объем файла равен одному сектору. Максимальный объем файла равен, естественно, информационному объему диска. Объем реальных файлов обычно не превышает нескольких мегабайт.

Файл имеет имя. Например, полное имя файла proba.txt состоит из имени файла (proba) и типа файла, его расширения (txt). В операционной системе MS-DOS имя файла может содержать до 8 букв латинского алфавита, цифр и некоторых специальных символов. Операционная система Windows поддерживает также длинные имена файлов (документов), которые могут содержать до 255 символов, причем разрешается использовать буквы русского алфавита. Имя файлу дается его создателем (пользователем, программистом, программой).

Тип файла необходим операционной системе компьютера для того, чтобы определить, с помощью какой прикладной программы этот файл был создан и, соответственно, какую программу необходимо вызвать для его обработки. Тип файла чаще всего задается прикладной программой, в которой он создается, с помощью трех символов, отделенных от имени точкой. Так, в Windows файлы, созданные текстовым редактором Word, имеют расширение DOC, Web-страницы Internet имеют расширение НТМ и т.д.

Современные жесткие диски имеют информационную емкость десятки и сотни Гб, на них могут храниться тысячи и десятки тысяч файлов. Каждый диск имеет логическое имя (А, В – гибкие диски, С, D и т.д. – жесткие диски, оптические диски и т.п.). Для удобства поиска файлы хранятся в иерархической структуре каталогов (папок операционной системы Windows), которая имеет "древовидную" структуру. Из корневого каталога можно перейти в каталоги 1-го уровня, в свою очередь, из них в каталоги 2-го уровня и т.д. В каталогах всех уровней могут храниться файлы.

С:\
	GAMES
		CHESS
			chess.exe
	TEXT
		proba.txt

Пусть на жестком диске С в корневом каталоге имеются два каталога 1-го уровня (GAMES, TEXT) и один каталог 2-го уровня (CHESS). Как найти имеющиеся файлы (chess.exe, proba.txt)? Для этого необходимо указать путь к файлу. В путь файла входит имя диска и последовательность имен каталогов, т.е. пути к вышеперечисленным файлам соответственно будут:

C:\GAMES\CHESS\chess.exe и C:\TEXT\proba.txt .

В операционной системе MS-DOS операции с файлами (копирование, удаление, переименование, печать и т.д.) можно производить непосредственно из командной строки с помощью команд (copy, delete, rename, print). Однако это неудобно для пользователя, так как требует запоминания форматов команд операционной системы. Для работы с файлами обычно используется программная оболочка Norton Commander, которая представляет пользователю удобные возможности поиска файлов и операций над ними с помощью функциональных клавиш и мыши.

В операционной системе Windows операции с файлами можно производить с помощью мыши с использованием технологии "возьми и перенеси".

2.10. Текстовый редактор, назначение и основные функции

Для работы с текстами на компьютере используются программные средства, называемые текстовыми редакторами или текстовыми процессорами. Существует большое количество разнообразных текстовых редакторов, различающихся по своим возможностям, – от очень простых учебных до мощных, многофункциональных программных средств, называемых издательскими системами, которые используются для подготовки к печати книг, журналов и газет. Наиболее известен среди пользователей IBM-совместимых компьютеров текстовые редактор Word for Windows.

Основное назначение текстовых редакторов – создавать текстовые файлы, редактировать тексты, просматривать их на экране, изменять формат текстового документа, распечатывать его на принтере. Набираемый на клавиатуре компьютера текст воспроизводится на экране дисплея в рабочем поле редактора. Специальный значок – курсор указывает то место на экране, на которое пользователь в данный момент может оказывать воздействие (создавать, изменять символы и т.д.) с помощью редактора. Работая с текстовым редактором, можно получить на экране информацию о текущем состоянии курсора, т.е. его координатах на экране (номер строки и позиции в строке), а также о номере страницы текста, его формате, используемом шрифте и т.д.

Интерфейс практически каждого текстового редактора позволяет иметь на экране меню команд управления редактором – изменение режимов работы, обращение за помощью, форматирование текста, печати и т.д. Как правило, меню имеет не только текстовую форму, но и форму пиктограмм, указывающих на выполняемую команду.

Функциональные возможности большинства современных текстовых редакторов позволяют пользователю выполнять следующие операции:

· набирать текст с клавиатуры;

· исправлять символы, вставлять новый символ на место ошибочного;

· вставлять и удалять группы символов в пределах строк, не набирая заново всю строку, а сдвигая часть ее влево/вправо в режиме вставки;

· копировать фрагмент текста, используя определенную часть памяти – так называемый "буфер" (или "карман", как говорят программисты) для временного хранения копируемых фрагментов текста;

· удалять одну или несколько строк, копировать и перемещать их в другое место текста;

· раздвигать строки набранного текста, чтобы вставить туда новый фрагмент;

· вставлять фрагменты из других текстов, просматривать тексты и обнаруживать встречающиеся в этом тексте слова или группы слов, заранее, выделенных пользователем;

· сохранять набранный текст (а при необходимости и все промежуточные варианты этого текста) в виде файла на магнитном диске или другом запоминающем устройстве;

· форматировать текст (т.е. изменять длину строки, межстрочные расстояния, выравнивать текст по краю или середине строки и т.д.);

· изменять шрифты, их размер, делать выделения с помощью подчеркивания или применения различного начертания букв (курсивного, полужирного и т.п.);

· распечатывать подготовленный текст на принтере.

Большинство редакторов текста имеют также режим орфографического контроля текста. В этом случае в памяти компьютера хранится достаточно большой словарь. Благодаря этому становится возможным автоматический поиск орфографических ошибок в тексте и последующее их исправление.

Широкие возможности текстовых редакторов позволили компьютеру практически вытеснить пишущие машинки из делопроизводства, а использование компьютерных издательских систем во многом изменило организацию подготовки рукописи к изданию, автоматизировало труд людей нескольких типографских профессий – верстальщика, наборщика, корректора и др.

2.11. Графический редактор, назначение и основные функции

В компьютерах первых поколений форма представления результатов решения задач была очень громоздкой и не наглядной – необозримые колонки чисел или огромные таблицы. Очень часто, чтобы облегчить восприятие этой информации, приходилось вручную строить диаграммы, рисовать графики или чертежи. Известно, что в графическом виде информация становится более наглядной, лучше воспринимается человеком.

Поэтому возникла идея использовать компьютер для графической обработки информации. Так появились графопостроители (или плоттеры), с помощью которых компьютер смог рисовать графики, чертежи, диаграммы. Однако это был только первый шаг в компьютерной графике.

Следующим, принципиально новым шагом стало создание графических дисплеев. На графическом дисплее совокупности точек (так называемых пикселов – от английских слов picture element) различного цвета позволяют создавать статическое и динамическое (изменяющееся, движущееся) изображение.

Работой графического дисплея управляет графический адаптер, состоящий из двух частей: видеопамяти и дисплейного процессора. Видеопамять (часть ОЗУ) служит для хранения видеоинформации – двоичного кода изображения. Дисплейный процессор управляет лучами электронно-лучевой трубки дисплея в соответствии с информацией, хранящейся в видеопамяти. Дисплейный процессор непрерывно "просматривает" (50–120 раз в секунду) содержимое видеопамяти и выводит его на экран.

Появление графических дисплеев существенно расширило возможности компьютерной графики. Она стала повсеместно применяться в инженерно-конструкторской работе, архитектуре, дизайне, геодезии и картографии, полиграфии, кино, телевидении, рекламе и т.д.

Для построения, коррекции, сохранения и получения "бумажных" копий рисунков и других изображений используется специальная программа – графический редактор.

Для создания изображений в графическом редакторе используются определенные инструменты – линейка ("отрезок"), прямоугольник, круг, эллипс и т.д. Такие инструменты, позволяющие изображать простые фигуры, называются "графическими примитивами". Это как бы простейшие элементы, из которых строится изображение. Чтобы воспользоваться инструментом, необходимо выбрать соответствующий "графический примитив" и установить курсор в ту точку экрана, где необходимо изобразить выбранную фигуру.

Функции всех графических редакторов приблизительно одинаковы (один из простейших графических редакторов для IBM-совместимых компьютеров – PaintBrush). Они позволяют пользователю:

· создавать рисунки из графических примитивов;

· применять для рисования различные цвета и "кисти" (использовать линии различной ширины и конфигурации);

· "вырезать" рисунки или их части, временно хранить их в буфере ("кармане") или запоминать на внешних носителях;

· перемещать фрагмент рисунка по экрану;

· "склеивать" один рисунок с другим;

· увеличивать фрагмент рисунка для прорисовки мелких деталей;

· добавлять к рисункам текст.

Многие графические редакторы позволяют также создавать компьютерную мультипликацию (анимацию), т.е. создавать на компьютере движущиеся изображения.

"Среда" графического редактора состоит из трех основных частей.

Инструментальная часть – набор пиктограмм, изображающих инструменты. Обычно это – "кисть" для изображения линий произвольной конфигурации, "линейка" для проведения отрезков прямых, "круг", "прямоугольник", "эллипс" для создания соответствующих фигур, "ластик" для стирания изображений, "валик" для закраски фигур, "ножницы" для вырезания фрагментов изображений. Другая часть среды – палитра для выбора цвета изображений. Наконец, третья часть – меню команд редактора. Эти части среды обычно располагаются по краям экрана. Центральная часть экрана предназначена для рабочего поля (или, как говорят, "холста"), на котором создаются изображения.

Графический редактор, как правило, имеет следующие основные режимы работы: режим выбора и настройки инструмента, режим выбора цвета, режим работы с рисунком (рисование и редактирование), режим работы с внешними устройствами.

Работая с графическим редактором, пользователь применяет не столько клавиатуру, но и (в большинстве редакторов) манипулятор мышь. Создавая изображения на экране компьютера, можно не только рисовать их самому, но и использовать другие изображения, например фотографии, рисунки из книг и т.д. Для ввода такой дополнительной графической информации в компьютер используется специальное устройство – сканер.

2.12. Электронные таблицы, назначение и основные функции

Электронные таблицы (или табличные процессоры) – это прикладные программы, предназначенные для проведения табличных расчетов.

В электронных таблицах вся обрабатываемая информация располагается в ячейках прямоугольной таблицы. Отличие электронной таблицы от простой заключается в том, что в ней есть "поля" (столбцы таблицы), значения которых вычисляются через значения других "полей", где располагаются исходные данные. Происходит это автоматически при изменении исходных данных.

Поля таблицы, в которых располагаются исходные данные, принято называть независимыми полями. Поля, где записываются результаты вычислений, называют зависимыми или вычисляемыми полями. Каждая ячейка электронной таблицы имеет свой адрес, который образуется от имени столбца и номера строки, где она расположена. Строки имеют числовую нумерацию, а столбцы обозначаются буквами латинского алфавита.

Электронные таблицы имеют большие размеры. Например, наиболее часто применяемая в IBM-совместимых компьютерах электронная таблица Excel имеет 256 столбцов и 16 384 строки. Ясно, что таблица такого размера не может вся поместиться на экране. Поэтому экран – это только окно, через которое можно увидеть только часть таблицы. Но это окно перемещается, и с его помощью можно заглянуть в любое место таблицы.

Рассмотрим, как могла бы выглядеть таблица для подсчета расходов школьников, собравшихся поехать на экскурсию в другой город.

Всего на экскурсию едут 6 школьников, в музей собирается пойти четверо, а в цирк – 5. Билеты на поезд стоят 60 р., но можно поехать и на автобусе, заплатив по 48 р. Тогда появляется возможность либо увеличить затраты на обед, либо купить билеты в цирк подороже, но на лучшие места. Существует и масса других вариантов распределения бюджета, отведенного на экскурсию, и все они легко могут быть просчитаны с помощью электронной таблицы.

	А	В	С	D
1	Вид расходов	Количество	Цена	Общий расход
2	Билеты	6	60.00	360.00
3	Экскурсия в музей	4	2.00	8.00
4	Обед	6	10.00	60.00
5	Посещение цирка	5	20.00	100.00
6			Всего:	528.00

Электронная таблица имеет несколько режимов работы: формирование таблицы (ввод данных в ячейки), редактирование (изменение значений данных), вычисление по формулам, сохранение информации в памяти, построение графиков и диаграмм, статистическая обработка данных, упорядочение по признаку.

Формулы, по которым вычисляются значения зависимых полей, включают в себя числа, адреса ячеек таблицы, знаки операций. Например, формула, по которой вычисляется значение зависимого поля в третьей строке, имеет вид: В3*С3 – число из ячейки В3 умножается на число из ячейки СЗ, результат помещается в ячейку D3.

При работе с электронными таблицами можно использовать и так называемые встроенные формулы (в Excel их имеется около 400), заранее подготовленные для определенных расчетов и внесенные в память компьютера.

Большинство табличных процессоров позволяют осуществлять упорядочение (сортировку) таблицы по какому-либо признаку, например по убыванию. При этом в нашей таблице на первом месте (во второй строке) останется расход на покупку билетов (максимальное значение – 360 р.), затем (в третьей строке) окажется расход на посещение цирка (100 р.), затем расходы на обед (60 р.) и наконец в последней строке – расходы на посещение музея (минимальное значение – 8р.).

В электронных таблицах предусмотрен также графический режим работы, который дает возможность графического представления (в виде графиков, диаграмм) числовой информации, содержащейся в таблице.

Электронные таблицы просты в обращении, быстро осваиваются непрофессиональными пользователями компьютера и во много раз упрощают и ускоряют работу людей, чья деятельность связана с расчетами.

2.13. Система управления базами данных. Назначение и функции

Системы управления базами данных (СУБД) используются для упорядоченного хранения и обработки больших объемов информации. В процессе упорядочения информации СУБД генерируют базы данных, а в процессе обработки сортируют информацию и осуществляют ее поиск.

Информация в базах данных структурирована на отдельные записи, которыми называют группу связанных между собой элементов данных. Характер связи между записями определяет два основных типа организации баз данных: иерархический и реляционный.

В иерархической базе данных записи упорядочиваются в определенную последовательность, как ступеньки лестницы, и поиск данных может осуществляться последовательным "спуском" со ступени на ступень. Иерархическая база данных по своей структуре соответствует структуре иерархической файловой системы.

Реляционная база данных, по сути, представляет собой двумерную таблицу. Под записью здесь понимается строка двумерной таблицы, элементы которой образуют столбцы таблицы. В зависимости от типа данных столбцы могут быть числовые, текстовые или содержать дату. Строки таблицы нумеруются.

Работа с СУБД начинается с создания структуры базы данных, т.е. с определения:

• количества столбцов;

• названий столбцов;

• типов столбцов (текст/число/дата);

• ширины столбцов.

Рассмотрим структуру базы данных на примере базы данных Процессоры.

Количество столбцов – 5.

Названия и типы столбцов: Тип процессора (текст), Год создания (дата), Частота (число). Разрядность по данным (число), Разрядность по адресу (число). Ширина каждого столбца устанавливается пользователем в соответствии с удобством представления данных на экране.

Структура созданной базы данных может быть впоследствии изменена (добавлены/удалены столбцы, изменены их названия и т. д.).

Тип процессора

Год создания

Частота

Разрядность по данным

Разрядность по адресу

В созданную "пустую" базу данных необходимо занести записи и при необходимости их редактировать. Обычно предусмотрены следующие режимы:

добавление записи;

удаление записи;

редактирование записи.

Внесем в базу шесть записей, характеризующих технические характеристики различных процессоров. Каждая запись состоит из пяти данных различных типов.

	Тип процессора	Год создания	Частота	Разрядность по данным	Разрядность по адресу
1	8086	1978	12	16	20
2	80286	1982	20	16	24
3	80386	1985	40	32	32
4	80486	1989	100	32	32
5	Pentium	1993	200	64	32
6	Pentium II	1997	300	64	32

Занесенную в базу данных информацию можно обрабатывать, а именно – осуществлять следующие операции:

· сортировка по любому столбцу (по возрастанию / убыванию чисел, символьных строк, дат);

· поиск по любому столбцу с различными условиями (равно, больше, меньше и т.д.).

Так, в результате выполнения сортировки по убыванию по столбцу Год создания порядок записей изменится на противоположный. Могут осуществляться вложенные сортировки, т.е. сортировка 1 уровня по одному столбцу, в ней сортировка 2 уровня по другому столбцу и т. д.

В результате выполнения операции поиска по столбцу Разрядность по данным с условием "= 32" будут найдены две записи (80386 и 80486).

Могут осуществляться операции сложного поиска, когда задаются несколько условий по разным столбцам. В результате будут найдены записи, удовлетворяющие всем заданным условиям.

Созданные базы данных можно записывать/считывать с диска и распечатывать на принтере. Это же относится к результатам операций сортировки и поиска.

Вид представления записей на экране может быть не только табличным, но и картотечным. В последнем случае каждая запись выводится в виде определенной формы. Структура формы одинакова для всех записей, причем название полей соответствует названиям столбцов табличной формы представления базы данных, а их расположение задается пользователем.

Так, первая запись базы данных Процессоры в виде формы может выглядеть следующим образом:

Тип процессора: 8086
Год создания:	1978
Частота:	12
Разрядность по данным:	16
Разрядность по адресу:	20

2.14. Передача информации. Организация и структура

телекоммуникационных компьютерных сетей

Традиционно почта, телефон, телеграф обеспечивали человеку связь – возможность общения на расстоянии. Подобное называется средствами телекоммуникации. Термин телекоммуникация состоит из двух слов: теле-(с греческого – "далеко") и коммуникация (в переводе с латыни – "сообщение, связь") и означает "связь, сообщение на расстоянии".

Если к вашему компьютеру подключен модем, т. е. устройство, позволяющее передавать информацию из компьютера через обыкновенную телефонную сеть, то можно обмениваться сообщениями с абонентами, чьи компьютеры также подключены к телефонной сети.

Модем (МОдулятор/ДЕМодулятор) – это устройство модуляции (преобразования) сигналов на выходе компьютера в сигналы, которые могут передаваться по телефонной сети, и демодуляции при приеме информации на компьютер.

Одной из важнейших характеристик модема является скорость передачи данных, определяющая, какое количество информации (бит) модем может передавать/принимать за единицу времени (секунду).

Наиболее распространенные модемы имеют скорости в 56000 бит/с. Чем выше скорость передачи данных, тем меньше времени потребуется модему на передачу или прием информации.

Определенная совокупность компьютеров, подключенных через модем или сетевую карту к телефонной или иной коммуникационной среде, представляет собой компьютерную телекоммуникационную сеть.

Телекоммуникационная сеть состоит из компьютеров-серверов, передающих между собой информацию по определенным правилам (протоколам), а также отвечающих на обращения компьютеров-абонентов. Серверы организуют использование так называемых сетевых ресурсов (т.е. общей памяти компьютеров сети и каналов связи). Для связи серверов сети между собой может использоваться беспроводная спутниковая связь, специально выделенные телефонные линии (служат для прямого соединения абонентов друг с другом, когда набора номера не требуется), обычные коммутируемые телефонные линии (обеспечивают соединение с тем абонентом, номер которого набран). Для связи абонента с сервером сети, как правило, используется обычная коммутируемая телефонная линия.

Сервер сети, отвечая на телефонный звонок компьютера абонента, работает в одном из двух режимов: on-line (оператор на линии) или off-line (без оператора). Абонент, используя специальную коммуникационную программу и связываясь через свой компьютер с сервером, работающим в режиме on-line, получает возможность во время сеанса связи давать серверу определенные команды: просмотр разделов сервера, получение файлов с сервера на компьютер абонента, передача файлов с компьютера абонента на сервер. Связываясь с сервером, работающим в режиме off-line, абонент не имеет возможности непосредственно работать с сервером: коммуникационная программа абонента автоматически производит обмен информацией с сервером и прекращает сеанс связи. Иначе говоря, процесс ознакомления с полученной информацией в режиме off-line происходит уже тогда, когда связь с сервером уже прекращена. При обмене информацией между собой серверы сети используют режим off-line.

Серверы сети обмениваются информацией между собой, поэтому абонент, подключенный к какому-либо одному серверу сети, имеет возможность обмениваться информацией с любым другим абонентом, подключенным к сети. Так как большинство сетей имеют между собой шлюзы (средства обмена информацией между серверами различных сетей) и тем самым входят в мировое содружество сетей; абонент одной какой-либо сети, в принципе получает возможность обмениваться информацией с любым другим абонентом, подключенным к любой другой сети.

Проиллюстрируем сказанное на примере упрощенной схемы:

Структура сети такова, что каждый сервер имеет по отношению к себе вышестоящий сервер, с которым и обменивается информацией. Так, серверы D и Е обмениваются информацией с серверами В и С.

Серверы А, В, С обмениваются информацией с сервером N. Сервер же N имеет шлюз в мировое содружество сетей, включая наиболее распространенные в России сети: Relcom, GlasNet и др.

2.15. Услуги компьютерных сетей

Основной услугой компьютерных сетей является электронная почта. Этот режим работы компьютерных сетей назван так, потому что обеспечивает доставку электронных писем от одного абонента к другому. Электронное письмо – обычный текстовый файл, снабженный несколькими служебными строками (конвертом). Электронная почта позволяет пересылать не только тексты, но при необходимости программы, картинки и другую информацию. Электронная почта – быстрый и достаточно дешевый вид связи. В любую точку мира электронное письмо идет, как правило, не более 4 часов.

Для каждого абонента сети на одном из компьютеров выделяется область памяти, так называемый электронный почтовый ящик. Все письма, поступающие на определенный почтовый адрес, записываются в соответствующий почтовый ящик. Чтобы использовать этот почтовый ящик (получать из него информацию), абонент должен передать на сетевой компьютер свой почтовый адрес и определенный пароль, обеспечивающий доступ к информации только тому пользователю, который знает этот пароль.

Для того чтобы электронное письмо дошло до адресата, необходимо, чтобы оно было оформлено в соответствии с международным стандартом и имело почтовый электронный адрес. Наиболее широко распространена схема формирования адреса, используемая, например, в сети Internet.

По аналогии с адресом, который мы указываем на конверте обычного письма, электронный адрес содержит два основных компонента:

· идентификатор абонента (аналогично строке КОМУ: на почтовом конверте);

· координаты абонента, указывающие его местонахождение (аналогично строке КУДА: дом, улица, город, страна).

Для того чтобы отделить идентификатор абонента от его почтовых координат, используется значок @. Например: kuznetsov@titabit.msk.ru

В рассматриваемом примере kuz – идентификатор абонента, отражающий обычно начальные буквы его фамилии или имени. Далее справа от знака @ указываются почтовые координаты абонента, которые описывают его местонахождение. Эти координаты называют доменом. Составные части домена разделяются точками. Крайне правая часть домена, как правило, обозначает код страны адресата. Код страны определяется международным стандартом ISO. В нашем случае ru – код России.

Следующая часть домена – msk – указывает код города – Москвы.

Наконец, третья часть домена обозначает имя машины (titabit), которой пользуется данный абонент.

Использование компьютерных телекоммуникаций дает возможность не просто передавать сообщения абонентам сети, но еще и записывать, хранить и читать информацию, ранее оставленную там другим абонентом. Эти возможности привели к появлению так называемых электронных досок объявлений (ЭДО). Они получили такое название по аналогии их функций с обычными "досками объявлений" на стене школы, учреждения, в журнале или газете.

Для организации электронной доски объявлений используется мощный компьютер с большим объемом дисковой и оперативной памяти. В ней хранятся сообщения, полученные от пользователей данной электронной доски объявлений. К этому компьютеру подключается несколько отдельных телефонных каналов, что дает возможность использования электронной доски объявлений одновременно большим числом пользователей.

Абонент, обращающийся к ЭДО, входит в предлагаемую систему меню. Он может просмотреть меню, выбрать интересующий его раздел, переписать информацию из ЭДО в свой компьютер, передать информацию из своего компьютера в ЭДО или оставить сообщение для конкретного абонента.

Дальнейшее развитие идеи электронного обмена информацией – это телеконференции. Телеконференция – обмен электронными сообщениями между абонентами по определенной тематике. Сообщение, посвященное определенной теме, попадает ко всем абонентам, подключенным к данной конференции. Существует огромное количество телеконференций, посвященных совершенно разнообразным темам: образованию, музыке, искусству, программированию, бизнесу и т.д.

Телеконференции по своей организации и функционированию во многом близки к ЭДО, но имеют и некоторое отличие. Используя режим телеконференций, абонент может непосредственно не обращаться на ЭДО. Ему необходимо заранее подготовить сообщение, которое он хотел бы поместить в тот или иной раздел, и указать, содержимое каких разделов его интересует. Связавшись с сервером сети, абонент передает все функции организации работы компьютеру. Компьютер передаст все сообщения, предназначенные для отправки, и получит все содержимое из разделов, которые были выбраны абонентом.

Благодаря совмещению технологий баз данных и компьютерных телекоммуникаций стало возможным использовать так называемые распределенные базы данных. Огромные массивы информации, накопленные человечеством, распределены по различным регионам, странам, городам, где хранятся в библиотеках, архивах, информационных центрах. Обычно все крупные библиотеки, музеи, архивы и другие организации имеют свои компьютерные базы данных, в которых сосредоточена хранимая в этих учреждениях информация. Компьютерные сети позволяют осуществить доступ к подключенным к сети базам данных, что дает возможность существенно повысить эффективность работы по поиску необходимой информации. Если вы являетесь пользователем компьютерной сети, то можете сделать запрос в соответствующие базы данных и получить по сети электронную копию необходимой книги, статьи, архивного материала, увидеть, какие картины и другие экспонаты находятся в данном музее, и т.д.

3. Алгоритмы и программы

3.1. Понятие алгоритма. Свойства алгоритмов

Каждый из нас постоянно встречается с множеством задач от самых простых и хорошо известных до очень сложных. Для многих задач существуют определенные правила (инструкции, предписания), объясняющие исполнителю, как решать данную задачу. Эти правила человек может изучить заранее или сформулировать сам в процессе решения задачи. Такие правила принято называть алгоритмами.

Под алгоритмом понимают понятное и точное предписание (указание) исполнителю совершить определенную последовательность действий, направленных на достижение указанной цели или решение поставленной задачи.

Слово алгоритм происходит от algorithmi – латинской формы написания имени великого математика IX в. аль-Хорезми, который сформулировал правила выполнения арифметических действий. Первоначально под алгоритмами и понимали только правила выполнения четырех арифметических действий над многозначными числами. В дальнейшем это понятие стали использовать вообще для обозначения последовательности действий, приводящих к решению поставленной задачи.

Рассмотрим пример алгоритма для нахождения середины отрезка при помощи циркуля и линейки. Алгоритм деления отрезка АВ пополам:

1) поставить ножку циркуля в точку А;

2) установить раствор циркуля равным длине отрезка АВ;

3) провести окружность;

4) поставить ножку циркуля в точку В;

5) провести окружность;

6) через точки пересечения окружностей провести прямую;

7) отметить точку пересечения этой прямой с отрезком АВ.

Каждое указание алгоритма предписывает исполнителю выполнить одно конкретное законченное действие. Исполнитель не может перейти к выполнению следующей операции, не закончив полностью выполнения предыдущей. Предписания алгоритма надо выполнять последовательно одно за другим, в соответствии с указанным порядком их записи. Выполнение всех предписаний гарантирует правильное решение задачи. Данный алгоритм будет понятен исполнителю, умеющему работать с циркулем и знающему, что такое поставить ножку циркуля, провести окружность и т.д.

Анализ примеров различных алгоритмов показывает, что запись алгоритма распадается на отдельные указания исполнителю выполнить некоторое законченное действие. Каждое такое указание называется командой. Команды алгоритма выполняются одна за другой. После каждого шага исполнения алгоритма точно известно, какая команда должна выполняться следующей.

Поочередное выполнение команд алгоритма за конечное число шагов приводит к решению задачи, к достижению цели. Разделение выполнения решения задачи на отдельные операции (выполняемые исполнителем по определенным командам) – важное свойство алгоритмов, называемое дискретностью.

Каждый алгоритм строится в расчете на некоторого исполнителя. Для того чтобы исполнитель мог решить задачу по заданному алгоритму, необходимо, чтобы он был в состоянии понять и выполнить каждое действие, предписываемое командами алгоритма. Такое свойство алгоритмов называется определенностью (или точностью) алгоритма.

Совокупность команд, которые могут быть выполнены исполнителем, называется системой команд исполнителя.

Еще одно важное требование, предъявляемое к алгоритмам, – результативность (или конечность) алгоритма. Оно означает, что исполнение алгоритма должно закончиться за конечное число шагов.

Приведем еще один пример алгоритма. Игра Баше (в игре участвуют двое). Рассмотрим частный случай этой игры. Имеется 15 предметов. Соперники ходят по очереди, за каждый ход любой из играющих может взять 1, 2 или 3 предмета. Проигрывает тот, кто вынужден взять последний предмет. Алгоритм выигрыша для первого игрока имеет следующий вид:

1) взять два предмета;

2) второй и последующий ходы делать так, чтобы количество предметов, взятых вместе с соперником за очередной ход, в сумме составляло 4.

Данный алгоритм приводит к выигрышу для 7, 11, 15, 19, ... предметов.

Человек, пользующийся данным алгоритмом, всегда будет выигрывать в этой игре. Ему совершенно необязательно знать, почему надо поступать именно так, а не иначе. Для успешной игры от него требуется только строго следовать алгоритму.

Таким образом, выполняя алгоритм, исполнитель может не вникать в смысл того, что он делает, и вместе с тем получать нужный результат. В таком случае говорят, что исполнитель действует формально, т.е. отвлекается от содержания поставленной задачи и только строго выполняет некоторые правила, инструкции.

Это очень важная особенность алгоритмов. Наличие алгоритма формализовало процесс, исключило рассуждения. Если обратиться к примерам других алгоритмов, то можно увидеть, что и они позволяют исполнителю действовать формально. Таким образом, создание алгоритма дает возможность решать задачу формально, механически исполняя команды алгоритма в указанной последовательности.

Построение алгоритма для решения задачи из какой-либо области требует от человека глубоких знаний в этой области, бывает связано с тщательным анализом поставленной задачи, сложными, иногда очень громоздкими рассуждениями. На поиски алгоритма решения некоторых задач ученые затрачивают многие годы. Но когда алгоритм создан, решение задачи по готовому алгоритму уже не требует каких-либо рассуждений и сводится только к строгому выполнению команд алгоритма.

В этом случае исполнение алгоритма можно поручить не человеку, а машине. Действительно, простейшие операции, на которые при создании алгоритма расчленяется процесс решения задачи, может реализовать и машина, специально созданная для выполнения отдельных команд алгоритма и выполняющая их в последовательности, указанной в алгоритме. Это положение и лежит в основе работы автоматических устройств, автоматизации деятельности человека.

3.2. Разветвляющиеся алгоритмы. Команда ветвления

В отличие от линейных алгоритмов, в которых команды выполняются последовательно одна за другой, в разветвляющиеся алгоритмы входит условие, в зависимости от выполнения или невыполнения которого выполняется та или иная последовательность команд (серий).

В качестве условия в разветвляющемся алгоритме может быть использовано любое понятное исполнителю утверждение, которое может соблюдаться (быть истинно) или не соблюдаться (быть ложно). Такое утверждение может быть выражено как словами, так и формулой. Таким образом, команда ветвления состоит из условия и двух последовательностей команд.

Блок-схема	Алгоритмический язык
	if <условие> then <серия 1> else <серия 2>;

Команда ветвления, как и любая другая, может быть:

• записана на естественном языке;

• изображена в виде блок-схемы;

• записана на алгоритмическом языке;

• закодирована на языке программирования.

3.3. Циклические алгоритмы. Команда повторения

В отличие от линейных алгоритмов, в которых команды выполняются последовательно одна за другой, в циклические алгоритмы входит последовательность команд, выполняемая многократно. Такая последовательность команд называется телом цикла.

В циклах типа пока тело цикла выполняется до тех пор, пока выполняется условие. Выполнение таких циклов происходит следующим образом: пока условие справедливо (истинно), выполняется тело цикла, когда условие становится несправедливым, выполнение цикла прекращается.

Цикл, как и любая другая алгоритмическая структура, может быть:

· записан на естественном языке;

· изображен в виде блок - схемы;

· записан на алгоритмическом языке; закодирован на языке программирования.

Процесс решения сложной задачи довольно часто сводится к решению нескольких более простых подзадач. Соответственно при разработке сложного алгоритма он может разбиваться на отдельные алгоритмы, которые называются вспомогательными. Каждый такой вспомогательный алгоритм описывает решение какой-либо подзадачи.

Блок-схема	Алгоритмический язык
	while <условие> do <тело цикла>;

Процесс построения алгоритма методом последовательной детализации состоит в следующем. Сначала алгоритм формулируется в "крупных" блоках (командах), которые могут быть непонятны исполнителю (не входят в его систему команд) и записываются как вызовы вспомогательных алгоритмов. Затем происходит детализация, и все вспомогательные алгоритмы подробно расписываются с использованием команд, понятных исполнителю.

Рассмотрим в качестве примера алгоритм вычисления суммы квадратов целых чисел от 1 до 5. Запишем его на алгоритмическом языке. Телом цикла в данном случае является команда s:=s+i*i. Количество повторений тела цикла зафиксировано в строке, определяющей изменение значений счетчика цикла (для i от 1 до 5), т.е. тело цикла будет выполнено пять раз.

Цикл на языке блок-схем	Цикл типа "повторяй до"
	var i,s: integer; begin s:=0; i:=1; repeat s:=s+i*i; i:=i+1; until i=6; writeln('сумма квадратов= ',s); end.

Цикл по счетчику	Цикл типа "пока"
var i,s: integer; begin s:=0; for i:=1 to 5 do s:=s+i*i; writeln('сумма квадратов= ',s); end.	var i,s: integer; begin s:=0; i:=1; while i<6 do begin s:=s+i*i; i:=i+1 end; writeln('сумма квадратов= ',s); end.

3.4. Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов (программ)

Алгоритм может быть записан на естественном языке, изображен в виде блок-схемы, записан с соблюдением строгих правил синтаксиса на алгоритмическом языке или закодирован на языке программирования. Для того чтобы компьютер мог его выполнить, алгоритм должен быть записан на понятном для компьютера языке.

Устройством, которое обрабатывает информацию в компьютере, является процессор, следовательно, алгоритм должен быть записан на языке, "понятном" для процессора, т.е. должен использовать его систему команд. Таким образом, алгоритм должен быть записан на машинном языке, представляющем собой логические последовательности нулей и единиц.

Действительно, вначале, в 50–60 годы, программы писались на машинном языке и представляли собой очень длинные последовательности нулей и единиц. Составление программ на машинном языке было чрезвычайно трудоемким делом.

Для облегчения труда программистов начали создаваться языки программирования, т.е. искусственно созданные языки с несколькими десятками слов (операторов) и строгими правилами синтаксиса – правилами соединения этих слов в предложения.

Суперкраткое описание инструкций языка Паскаль

структура Паскаль-программы
Program <имя>; Uses Dos,Crt; Label <список>; var <список> : real; <список> : integer; <список> : string; <список> : boolean; <список> : array[n..m] of <тип>; begin <программа> end.	заголовок и имя программы заказ библиотек описание меток переменных описание вещественного типа переменные целого типа переменные – текстовые строки логические переменные массивы размерности от n до m начало программы тело программы конец программы

функции, операторы, выражения
begin <операторы> end; <чему присваиваем>:=<что>; if <условие> then <выражение1> else <выражение2>;	операторные скобки инструкция присваивания оператор ветвления: если условие=истина то выражение1 иначе выражение2
if <идентификатор> in [D1..D2] then <выражение1> else <выражение2>;	если <идентификатор> в диапазоне D1-D2 (возрастающие значения того же типа, что и идентификатор), то выражение1 иначе выражение2
readln(<список>); writeln(<список >); Ord(<текстовый символ>) Halt; sqrt(<значение>) abs(<значение>) <имя метки>: goto <имя метки>; for i:=n to m do <оператор>; While <условие> do <оператор>; repeat <операторы> until <условие>;	ввод данных вывод данных десятичное целое значение кода символа останов программы корень квадратный абс.величина числа оператор метки переход на метку оператор цикла выполнение цикла пока условие=истина выполнение цикла пока условие=ложь

3.5. Примеры программирования некоторых алгоритмов

1. Поиск номера максимального элемента в массиве.

Программа и блок-схема алгорима поиска максимума.

Program Get_Maximum;

uses Dos;

var i,max,Nmax: integer;

const m : array [1..6] of integer = (7,5,1,9,4,2);

begin

writeln('исходный массив');

for i:=1 to 6 do writeln('m[',i,']=',m[i]);

max:=m[1]; Nmax:=1;

for i:=2 to 6 do if m[i]>max then

begin max:=m[i]; Nmax:=i end;

writeln('максимальное значение ', max,

' элемент номер ', Nmax);

readln;

end.

2. Решение квадратного уравнения ax²+bx+c=0.

Необходимые сведения:

решение квадратного уравнения вида ax²+bx+c=0 в общем виде задается формулой

.

В программе используется форматный вывод вещественных чисел

<вещ.число>:12:3 – число выдается 12 знаками (включая десятичную точку) с тремя знаками дробной части числа. Блок-схема алгоритма решения квадратного уравнения

Program Square; {заголовок программы}

uses Dos; {заказываем библиотеку}

Label Finish; {описываем метку}

var a,b,c,D: real; {описываем переменные}

begin {начало программы}

writeln('решение уравнения a*x2+b*x+c=0');

writeln('введи a,b,c'); {надписи на экран}

readln(a,b,c); {чтение данных}

writeln(' a=',a:12:3,' b=',b:12:3,' c=',c:12:3);

if abs(a) < 1E-8 then begin { случай а=0 }

if abs(b) > 1E-8 then begin { если a=0 b¹0 }

writeln('один корень x=',(-c/b):12:3);

goto Finish end;

if abs(c) < 1E-8 then { если a=0 b=0 c=0}

writeln('бесконечное число решений')

else { если a=0 b=0 c¹0}

writeln('решений нет');

goto Finish;

end;

{ анализ уравнения для а¹0 }

D:=b*b-4.0*a*c; {считаем дискриминант}

if D < 0.0 then writeln('действит. решений нет ')

else begin

writeln('два корня:');

writeln('x1=', ( (-b+sqrt(D))/2.0/a ):12:3);

writeln('x2=', ( (-b-sqrt(D))/2.0/a ):12:3);

end;

Finish: readln; {пустое чтение –

задержка на экране}

end. {конец программы}

3. Сортировка массива по возрастанию. Блок-схема и программа алгоритма
сортировки

Program Sorting;

uses Dos;

var i,b: integer; change: boolean;

const

m : array [1..6] of integer = (7,5,1,6,4,2);

begin

writeln('исходный массив');

for i:=1 to 6 do writeln('m[',i,']=',m[i]);

Repeat

change:=true;

for i:=1 to 5 do

if m[i] > m[i+1] then begin b:=m[i]; m[i]:=m[i+1];

m[i+1]:=b; change:=false end;

until change;

writeln('============');

writeln('результат');

for i:=1 to 6 do writeln('m[',i,']=',m[i]);

readln;

end.

4. Признак деления целого положительного числа на 3.

Блок-схема и программа алгоритма проверки делимости на 3.

Program Division_3; uses dos; Label Finish; var numb: string; i,s,L: integer; begin writeln('введи число'); readln(numb); writeln('number is ',numb); L:=Length(numb); if L<1 then begin writeln('не задано'); goto Finish end; for i:=1 to L do if numb[i] in ['0'..'9'] then else begin writeln('ошибка записи'); goto Finish end;

примечание: инструкция < значение1> mod < значение2> возвращает остаток целочисленного деления значение1 на значение2 При реализации данного алгоритма использовался тот факт, что десятичные значения кодов цифр ('0', '1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9') равны (48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57) соответственно.

s:=0; for i:=1 to L do s:=s + Ord(numb[i]);

if (s mod 3)>0 then writeln('не делится на 3')

else writeln('делится на 3');

Finish: readln; end.

3.6. Этапы решения задач на компьютере

Процесс исследования поведения какого-либо объекта или системы объектов на компьютере можно разбить на следующие этапы: построение содержательной модели объекта – построение математической модели объекта – построение информационной модели и алгоритма – кодирование алгоритма на языке программирования – компьютерный эксперимент.

Рассмотрим процесс решения задачи на компьютере на конкретном примере. Пусть требуется изучить полет пушечного снаряда. Сначала строится содержательная модель, в которой рассматривается движение снаряда в поле тяготения Земли. В этой модели рассматриваются только те параметры, которые характеризуют движение снаряда (скорость и дальность выстрела), а другие параметры (температура снаряда, его цвет и т.д.) игнорируются. Затем строится математическая модель.

Математическая модель всегда основана на упрощениях; этап построения математической модели весьма ответственный процесс – неправильно выбранная модель неизбежно приводит к неверным результатам. В данном случае реально существующая физическая система описывается с помощью идеализированной математической модели. Снаряд считается материальной точкой, сопротивлением воздуха и размерами пушки пренебрегается, ускорение свободного падения считается постоянным g=9.82 м/с². Снаряд вылетает из пушки со скоростью V под углом a к горизонту.

Математическая модель описывается с помощью уравнений.

Пользуясь формулами из курса физики 9 класса и учитывая, что по оси x движение равномерное, а по оси y – равноускоренное, можно получить формулы зависимости скорости снаряда от времени:

V_х = V×cosa, .

Общее время полета определяется из условия, что в верхней точке траектории вертикальная скорость равна нулю, а время подъема составляет половину всего времени движения.

.

Тогда дальность d полета снаряда составит

.

Следующим этапом является построение информационной модели и алгоритма. Здесь необходимо четко зафиксировать, какие величины являются аргументами и какие – результатами алгоритма, а также определить тип этих величин. В нашем случае аргументами являются следующие переменные: угол вылета снаряда a и его начальная скорость V. Результатом являются дальность d. Все они являются переменными вещественного типа.

Затем строится алгоритм, который позволяет определять значения результата при различных значениях аргументов. Построенный алгоритм записывается в какой-либо форме, например в виде блок-схемы. Следующим этапом является кодирование алгоритма на языке программирования. Закодируем наш алгоритм на языке программирования Pascal.

Program Gun;

uses dos; var v,a,g,d:real;

begin

writeln('введи скорость в м/с и угол в градусах');

writeln('скорость = ',v,'м/с угол= ',a,'град');

g:=9.82; {ускорение свободного падения}

a:=Pi*a/180.0; {переводим угол в радианы}

d:=v*v*sin(a+a)/g; {расчет дальности}

writeln('дальность=',d,'м'); readln;

end.

Теперь можно проводить компьютерный эксперимент. Для этого необходимо загрузить программу в оперативную память компьютера и запустить на выполнение. Компьютерный эксперимент обязательно включает в себя анализ полученных результатов, на основании которого могут корректироваться все этапы решения задачи (математическая модель, алгоритм, программа).

В некоторых случаях можно избежать этапа построения алгоритма и создания программы, так как можно воспользоваться одной из многих ранее созданных программ. Такие библиотеки алгоритмов (программ) существуют практически по всем областям науки и техники.

---

[1] Семиотика изучает общие свойства различных знаковых систем, способных описывать явления окружающего мира

[2] Семантика исследует содержание, смысловые аспекты информации