В Закладки

Главная
Официальная
Новости
Курсовые работы
Дипломные проекты
Лекции и конспекты
Рефераты
Софт
Ссылки
Справочник Студента
Гостевая

Почта


Поиск по сайту:

          


















лекции по информатике


информатика




Введение
Данное пособие предназначено для студентов 1-го года обучения. Задача
пособия заключается в том, чтобы дать ясное общее представление о наиболее
важных аспектах использования вычислительной техники. Особое внимание
уделено терминологии, ясное понимание которой характеризует уровень
«компьютерной грамотности».
После освоения материала пособия студент должен знать:
?        способы представления информации в ЭВМ;
?        способы обработки информации;
?        назначение и основные характеристики аппаратных компонентов ЭВМ;
?        принципы организации вычислительного процесса ЭВМ;
?        назначение и характеристики основных видов программного обеспечения
ЭВМ;
?        основные принципы организации вычислительных сетей.
Материал пособия разделён на четыре темы.
Тема 1 "Организация информации в ЭВМ" дает теоретические знания о
методах цифрового представления информации и способах её обработки.
Поскольку ЭВМ способна работать с информацией, представленной в лишь
цифровом виде, то для практического использования ЭВМ необходимо
учитывать особенности как преобразования произвольных данных в числовую
форму, так и особенности работы с такими данными.
Тема 2 посвящена описанию того, какие возможности для работы с
данными в числовой форме предоставляются с технической стороны.
Эффективное решение задач на ЭВМ невозможно без умения правильно
оценивать технические возможности ЭВМ: архитектуру, производительность,
набор внешних устройств и т.д.
Тема 3 «Программное обеспечение ЭВМ» посвящена описанию основных
видов программ, их назначения и основных характеристик. В пособии большее
внимание уделено системным программным средствам, так как предполагается,
что различные прикладные программы более подробно будут изучаться на
практических занятиях.
Тема 4 «Вычислительные сети» освещает вопросы построения локальных
вычислительных сетей, принципы функционирования локальных и глобальных
сетей, способы организации вычислительного процесса в сетях.


Список используемых сокращений
ВС – вычислительная сеть;
ЛВС – локальная вычислительная сеть;
ОС – операционная система;
ПО – программное обеспечение;
ПЭВМ – персональная ЭВМ;
СУБД – система управления базами данных;
ЭВМ – электронная вычислительная машина, компьютер.


Тема 1. Организация информации
1.1 Представление и обработка информации
Информатика и информационные технологии
Информатика [computer science] – научное направление, занимающееся
изучением законов, методов и способов накапливания, обработки и передачи
информации с помощью ЭВМ и других технических средств. Предметом изучения
информатики являются информационные технологии и их применение для
решения прикладных задач. Технология практически определяет что, как и
сколько нужно сделать, чтобы получить требуемый результат. Конечная задача
использования информационных технологий – это подготовка и принятие
управленческих решений.
Информация и данные
Первичное понятие информатики – информация. Данное понятие
неопределяемо. Поэтому, строго говоря, это понятие можно раскрыть только
через указание процессов, в которых оно участвует. Чаще всего под этим
понятием подразумевают содержательную сторону, отличая его от понятия
«данные», которое, следовательно, отражает собой формальную сторону.
Будем понимать под информацией [information] меру устранения
неопределённости в отношении исхода интересующего нас события.
Тогда под данными [data] будут пониматься объекты любой формы,
выступающие в качестве средства представления информации. Можно сказать,
что данные – это информация, зафиксированная в определённой форме.
Одни и те же данные могут нести различную информацию для разных
потребителей. Фиксация информации в виде данных осуществляется с помощью
конкретных средств (языковых, изобразительных, числовых и т.д.) на
конкретном физическом носителе.
Формальное назначение ЭВМ заключается в обработке данных. Причём ЭВМ
обрабатывает данные без учёта их смыслового содержания. Для этой обработки
используются лишь математические операции. Оценивать смысловое содержание
данных может только человек.
Представление и обработка данных
Для того, чтобы использовать ЭВМ для обработки данных, необходимо
располагать некоторым способом представления данных. Способ представления
данных будет зависеть от того, для кого эти данные предназначены: для
человека (внешнее представление) или для ЭВМ (внутреннее представление).
Во внутреннем представлении данные могут быть описаны в аналоговой
(непрерывной) или цифровой (дискретной) формах. В соответствии с этим
различают аналоговые и цифровые ЭВМ. Практически все используемые ЭВМ в
настоящее время являются цифровыми. Таким образом, любые данные в
современных ЭВМ представляются в виде целых чисел.
Любые виды данных, обрабатываемых на ЭВМ, могут быть сведены к
совокупности простейших форм: набор символов (текст), звук (мелодия),
изображение (фотографии, рисунки, схемы), вещественные и целые числа
(числовая информация).
Каждый такой вид данных должен быть некоторым универсальным образом
представлен в виде набора целых чисел. Правила такого представления
разрабатываются научными институтами и оформляются в виде стандартов.
Во внешнем представлении все данные хранятся в виде файлов. Во многих
случаях требуется ещё более высокий уровень организации данных на внешнем
уровне, тогда данные группируются в базы данных (см. рис. 1.1).

Рис. 1.1 Уровни представления данных
Задачи по обработке данных предполагают также способы описания
процесса самой обработки. Процедуры обработки данных также представляются
на внешнем и внутреннем уровне. На внутреннем уровне каждая такая
процедура представляет собой последовательность логических операций с
целыми числами, и называется программой. Сами логические операции
кодируются с помощью средств машинного языка.
Рис. 1.2 Уровни представления обработки данных
На внешнем уровне процедуры представляются в виде алгоритма.
Конкретный вид алгоритма зависит от используемого алгоритмического языка
(см. рис. 1.2).
Таким образом, решение любых задач с помощью ЭВМ в конечном счёте
сводится к двум взаимосвязанным проблемам: цифровому представлению данных
и алгоритмическому представлению способов обработки данных.


1.2 Внутреннее представление данных
Двоичная форма целых чисел. Количество информации
ЭВМ является электрическим прибором. Она управляется с помощью
электрических сигналов. Поэтому любые данные должны быть некоторым
универсальным образом представлены в таком виде, чтобы их можно было легко
перевести на «электрический» язык. Таким свойством обладают двоичная форма
целых чисел. Для записи числа в двоичной форме используются только два
символа 0 и 1. Эти символы легко поставить в соответствие некоторому
фиксированному значению напряжения в электрических схемах ЭВМ (см. рис.
1.3).
Рис. 1.3 Поток данных в двоичной форме
Чтобы обрабатывать данные, необходимо иметь некоторый универсальный
способ представления операций с целыми числами, чтобы эти операции были
легко представимы на «электрическом» языке. Оказывается, что этому условию
удовлетворяют три операции с двоичными числами. Это операции логического
сложения «ИЛИ», логического умножения «И» и отрицания «НЕ».
Таблица 1.1 Операции с двоичными числами
x
y
ИЛИ
И
НЕ х
0
0
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
0

Таким образом, все данные, с которыми работают ЭВМ, представлены в
виде двоичных чисел, а все действия с данными сводятся к комбинации трёх
логических операций.
Пример
Рассмотрим сложение чисел 4+3. В двоичной форме эти числа будут иметь
вид соответственно 0100 и 0011. Выполняя операцию логического сложения с
каждым разрядом обоих чисел, получим число 0111, что является двоичным
представлением числа 7.
g
Количество информации, соответствующее двоичному числу, называют
битом [bit]. Число, которое представлено N битами называется N-битным или N-
разрядным.
В дальнейшем оказалось удобным оперировать последовательностями
нулей и единиц, объединённых в группы фиксированного размера.
Наибольшее значение имеет последовательность из восьми двоичных чисел
- 8-разрядное число. Количество информации, соответствующее такому числу,
называется байтом [byte]. Кроме того, используются группы, называемые словом
[word]. Размер слова зависит от характеристик конкретной ЭВМ, но, как
правило, в большинстве современных ЭВМ размер слова равен 2 байтам.
Очень часто программистам приходится непосредственно работать с
двоичными числами, поэтому, чтобы упростить эту работу, часто используются
шестнадцатеричное представление двоичных чисел.
Пример
Для упрощения перевода целых чисел в двоичную и шестнадцатеричную
формы составляется следующая таблица:

Х10
Х2
Х16
Х10
Х2
Х16
0
0000
0
8
1000
8
1
0001
1
9
1001
9
2
0010
2
10
1010
A
3
0011
3
11
1011
B
4
0100
4
12
1100
C
5
0101
5
13
1101
D
6
0110
6
14
1110
E
7
0111
7
15
1111
F

4310= 2В16 = 001010112
g
Таким образом, первая задача, которая ставится в информатике – это
задача представления любых данных в форме целых чисел (в цифровой форме).
Цифровое представление символов
Правило цифрового представления символов следующее: каждому символу
ставится в соответствие некоторое целое число, то есть каждый символ
нумеруется.
Пример
Рассмотрим последовательность строчных букв русского алфавита: а, б, в,
г, д, е, ё, ж, з, и, й, к, л, м, н, о, п, р, с, т, у, ф, х, ц, ч, ш, щ, ъ, ы, ь, э, ю, я.
Присвоив каждой букве номер от 0 до 33, получим простейший способ
представления символов. Последнее число - 32 в двоичной форме имеет вид
100000, то есть для хранения символа в памяти понадобится 6 бит. Так как с
помощью шести бит можно представить число 26 – 1 = 63, то шести бит будет
достаточно для представления 64 букв.
g
Имеются разные стандарты для представления символов, которые
отличаются лишь порядком нумерации символов. Наиболее распространён
американский стандартный код для информационного обмена - ASCII [American
Standard Code for Information Interchange] введён США 1963г. Organization - ISO] названием ISO-646. Согласно этому стандарту каждому
символу поставлено в соответствие число от 0 до 255. Символы от 0 до 127 –
латинские буквы, цифры и знаки препинания – составляют постоянную часть
таблицы. Остальные символы используются для представления национальных
алфавитов. Конкретный состав этих символов определяется кодовой страницей.
В русской версии ОС Windows95 используется кодовая страница 866. В ОС Linux
для представления русских букв более употребительна кодировка КОИ-8.
Недостатки такого способа кодировки национального алфавита очевидны.
Во-первых, невозможно одновременное представление русских и, например,
французских букв. Во-вторых, такая кодировка совершенно непригодна для
(Borland, IBM, Lotus, Microsoft, Novell, Sun, WordPerfect др.), и
занимается развитием и внедрением нового стандарта. Кодировка Unicode
использует 16 разрядов и может содержать 65536 символов. Это символы
большинства народов мира, элементы иероглифов, спецсимволы, 5000 мест для
частного использования, резерв из 30000 мест.
Пример
ASCII-код символа A = 6510 = 4116 = 010001112;
ASCII-код символа G = 7110 = 4716 = 010001112;
ASCII-код символа Z = 9010 = 5A16 = 010110102.
ASCII-код символа C = 6710 = 4316 = 011001112
Unicode-код символа C = 6710 = 00000000011001112.
g
Цифровое представление вещественных чисел
Для того, чтобы представить вещественное число в виде набора целых
чисел, его необходимо привести к нормализованной форме:
x = M*2P;
где M - называется мантиссой (дробной частью), а P - экспонентой
(порядком).
После этого мантисса и порядок переводятся в двоичное представление. В
памяти ЭВМ вещественное число хранится в виде:

здесь S – признак знака. Поэтому необходимо также определить, какой
размер памяти будет отведён под все три части нормализованного числа.
Далее должны быть определены правила (алгоритмы), по которым будут
выполняться арифметические операции с нормализованными вещественными
числами. Совокупность таких алгоритмов, а также правил представления чисел в
нормализованной форме называется арифметикой плавающих чисел [floating
point number].
Поскольку размер памяти, отводимый под мантиссу и порядок, ограничен,
то вещественные числа представляются с некоторой погрешностью (точность
десятичных цифр) и имеют ограниченный диапазон изменения. Чем больше
размер памяти для плавающего числа, тем точнее можно представить
вещественное число. Поэтому для пользователя основными характеристиками
арифметики плавающего числа являются длина числа (размер), измеряемая в
битах, и точность представления числа. По точности представления
вещественных чисел различают плавающие числа одинарной и двойной
точности
[single and double precision].
Пример
Рассмотрим принцип цифрового представления вещественного числа
15,375. Пусть под мантиссу отведено 5 десятичных разрядов, а под порядок – 2
разряда. Представим число в нормализованной форме: 15,375 » 1,9219*23. Так
как в нормализованной форме первая цифра всегда равна единице, то её можно
не хранить. Тогда число будет представлено в виде целого числа 9219003 с
относительной погрешностью не более 10-4, то есть число верных десятичных
чисел равно 4. В памяти ЭВМ это число будет храниться в двоичной форме,
причём можно легко подсчитать, что для хранения такого числа потребуется 27
бит. Максимальное число, которое можно представить таким образом -
9999999=1,99999*1099, а минимальное, не равное нулю - 0000100=0,00001.
Если предусмотреть один бит для хранения знака порядка, то минимально
представляемое число будет равно 00001-99, то есть 0,00001*10-99.
При попытке выйти за допустимый диапазон ЭВМ выдаст сообщение о
переполнении (underflow или overflow).
g
Конкретные характеристики арифметики различны для разных стандартов.
Для ПЭВМ наиболее распространённым является IEEE-стандарт (IEEE-754-1985)
[Institute of Electrical and Electronic Engineers], согласно вещественные
числа представляются в трёх основных формах (см. табл. 1.2).
Таблица 1.2 Данные с плавающей точкой по IEEE-стандарту
Тип
Размер,
бит
Диапазон изменения
чисел
максимум         мини-
мум
Точность
десятичн.
цифр
Машинное

e
single
32
3.4*10-38
3.4*1038
6
1,192*10-7
double
64
1.7*10-308
1.7*10308
15
2,221*10-16
long double
80
3.4*10-4932
3.4*104932
19
1,084*10-19
Источник
: [5].
Здесь нужно заметить, что характеристики плавающего числа двойной точности
будут зависеть от той арифметики, которая используется на конкретной ЭВМ.
Пример
Запишем число 15,375 в двоичном виде:
                   15.375 = 1111.0112 = 1.111011*2112
Тогда согласно стандарту IEEE число будет представляться:
single
15,375 = 0 1000.0001.0 111.0110.0000.0000.0000.00002 = 4176000016
long double
15,375 = 0 1000.0000.00010. 1110.1100.0000.0000. … 00002 =
402ЕС0000000000016.
Источник: [5].
g
Особенности плавающей арифметики могут существенно влиять на
результаты расчётов, вплоть до того, что погрешность может сделать
невозможным получение какого-либо результата вообще, поэтому знание
деталей реализации арифметики плавающих чисел является необходимым для
программистов.
Пример
Существует особая характеристика плавающей арифметики – машинное
эпсилон. Это число, которое определяется как
                    .
Для плавающего числа единичной точности (по IEEE стандарту):
                    .
Это значит, если написать программу на языке BASIC:

         
a=1.2
          b=1.e-7
          print a+b

то результат, который выдаст программа, будет равен 1.2.
Поэтому программы, учитывающие особенности плавающей арифметики
могут трактовать все числа, меньшие, чем машинное эпсилон, практически
равными нулю.
g
Цифровое представление изображений
Под изображением будем понимать прямоугольную область, закрашенную
непрерывно изменяющимся цветом. Поэтому для представления изображений в
целых числах необходимо отдельно дискретизировать прямоугольную область и
цвет.
Для описания области она разбивается на множество точечных элементов –
пикселов [pixel]. Само множество называется растром [bit map, dot matrix, raster]
(см. рис. 1.3), а изображения, которые формируются на основе растра,
называются растровыми.
Рис. 1.4 Дискретизация области изображения
Число пикселов называется разрешением [resolution]. Часто встречаются
значения 640х480, 800х600, 1024х768, 1280х1024. Каждый пиксел нумеруется,
начиная с нуля слева направо и сверху вниз.
Для представления цвета используются цветовые модели. Цветовая модель
[color model] это правило, по которому может быть вычислен цвет. Самая
простая цветовая модель – битовая. В ней для описания цвета каждого пиксела
(чёрного или белого) используется всего один бит. Для представления
полноцветных изображений используются несколько более сложных моделей.
Известно, что любой цвет может быть представлен как сумма трёх основных
цветов: красного, зелёного и синего. Если интенсивность каждого цвета
представить числом, то любой цвет будет выражаться через набор из трёх
чисел. Так определяется наиболее известная цветовая RGB-модель. На каждое
число отводится один байт. Так можно представить 224 цвета, то есть примерно
16,7 млн. цветов. Белый цвет в этой модели представляется как (1,1,1), чёрный
– (0,0,0), красный (1,0,0), синий (0,0,1). Жёлтый цвет является комбинацией
красного и зелёного и потому представляется как (1,1,0).
Пример
Пусть имеется изображение вида

Будем считать, что белый цвет представляется нулём, а чёрный –
единицей, тогда в однобитовой модели такое изображение представится в виде:


                   0000000000000000
                   0000000000000000
                   0000111110000000
                   0000100010000000
                   0000100010000000
                   0000111110000000
                   0000000000000000
                   0000000000000000
В шестнадцатеричном виде этот двоичный набор будет выглядеть так:
                   00 00 00 00 0F 80 08 80 08 80 0F 80 00 00 00 00
Всего для хранения такого изображения потребуется 16 байт.
Данное изображение легко преобразовать в RGB-модель. Достаточно
заменить все нули тройками (1,1,1), а все единицы - тройками (0,0,0). Тогда
получим следующее шестнадцатеричное представление изображения:
                   FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F0 00 1F FF FF
                   FF F1 FF 1F FF FF FF F1 FF 1F FF FF FF F0 00 1F FF FF
                  
FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF
Для хранения такого изображения потребуется 48 байт.
g
Цветовая модель RGB [Red-Green-Blue] была стандартизирована в 1931 г. и
впервые использована в цветном телевидении. Модель RGB является аддитивной
моделью, то есть цвет получается в результате сложения базовых цветов.
Существуют и другие цветовые модели, которые для ряда задач оказываются
более предпочтительными, чем RGB-модель. Например, для представления
цвета в принтере используется субтрактивная CMY-модель [Cyan-Magenta-
Yellow], цвет в которой получается в результате вычитания базовых цветов из
белого цвета. Белому цвету в этой модели соответствует (0,0,0), чёрному -
(1,1,1), голубому - (1,0,0), сиреневому - (0,1,0), жёлтому - (0,0,1). В цветовой
модели HSV [Hue-Saturation-Value] цвет представляется через цвет,
насыщенность и значение, а в модели HLS [Hue-Lightness-Saturation] через
оттенок, яркость и насыщенность. Современные графические редакторы, как
правило, могут работать с несколькими цветовыми моделями.
Цифровое представление звука
Звук можно описать в виде совокупности синусоидальных волн
определённых частоты и амплитуды. Частота волны определяет высоту
звукового тона, амплитуда – громкость звука. Частота измеряется в герцах (Гц
[Hz]). Диапазон слышимости для человека составляет от 20 Гц до 17000 Гц (или
17 кГц).
Рис. 1.5 Дискретизация звукового сигнала
Задача цифрового представления звука, таким образом, сводится к задаче
описания синусоидальной кривой. Принцип такого представления изображён на
рис. 1.5.
Каждой дискретной выборке присваивается целое число – значение
амплитуды. Количество выборок в секунду называется частотой выборки 
[sampling rate]. Количество возможных значений амплитуды называется
точностью выборки [sampling size]. Таким образом, звуковая волна
представляется в виде ступенчатой кривой. Ширина ступеньки тем меньше, чем
больше частота выборки, а высота ступеньки тем меньше, чем больше точность
выборки.
Пример
Возможности наиболее распространённой современной аппаратуры
предусматривают работу с частотой выборки до 44,1 кГц, что позволяет
правильно описывать звук частотой до 22,05 кГц. Точность выборки имеет всего
два значения 8 бит и 16 бит. То есть для представления амплитуды 8-битного
звука используется 28 = 256 уровней амплитуды.
g
Сжатие данных
Внутреннее представление данных характеризуется избыточностью.
Например, при кодировании символов русского алфавита можно учесть частоту,
с которой эти символы встречаются в предложениях русского языка. Тогда для
цифрового представления текста потребуется меньшее количество информации.
Объём данных имеет большое значение не только для хранения, но также
непосредственно влияет на скорость передачи данных по каналам
вычислительных сетей. Поэтому были разработаны специальные методы
(алгоритмы сжатия данных [data compression]), с помощью которых можно
существенно уменьшить объём данных. Существуют как универсальные
алгоритмы, которые рассматривают данные как простую последовательность
битов, так и специализированные, которые предназначены для сжатия данных
определённого типа (изображений, текста, звука и видео). Эффективность
сжатия характеризуется коэффициентом сжатия [compression ratio], который
определяется как отношение размера исходных данных к размеру сжатых. В
некоторых случаях этот коэффициент достигает значения 10.
Пример
Рассмотрим принцип сжатия простейшего универсального RLE-метода. Для
этого рассмотрим представление изображения, полученного в примере выше.
Особенность данного представления заключается в том, что в нём
содержатся длинные последовательности подряд идущих нулей или единиц. В
RLE-методе предлагается ставить сначала значение числа повторений, а затем
повторяющегося числа. Тогда сжатое закодированное изображение получит
вид:
                   С4 00 0F 80 08 80 08 80 0F 80 С4 00
Здесь число С используется как признак последовательности одинаковых
символов. То есть С4 означает, что далее идёт последовательность из 4
символов. Размер хранимого изображения  уменьшился с 16 до 12 байт.
Коэффициент сжатия равен 1,33. Эффективность сжатия будет зависеть от
размера и содержания изображения. Если то же самое изображение
преобразовать в цветовую RGB-модель, то в сжатой форме оно получит вид:
                   СD FF F0 00 1F C3 FF F1 FF 1F C3 FF F1 FF 1F C3 FF F0 00 1F CE FF
То есть вместо 48 байт сжатое изображение занимает 22 байта, а
коэффициент сжатия равен 2,18.
g
Алгоритмы сжатия широко применяются для более компактного хранения
изображений. Для этого было разработано большое число графических
форматов растровых изображений.
Пример
Наиболее популярными являются графические форматы: BMP [Bit MaP],
PCX, GIF [Graphics Interchange Format], TIFF [Tagged Image File Format], JPEG
[Joint Photographic Experts Group], которые по существу различаются между
собой используемыми методами сжатия. Форматы BMP и PCX используют RLE-
алгоритм, форматы GIF и TIFF – LZW-алгоритм, JPEG использует одноимённый
алгоритм сжатия.
g
Звук и видео также требуют для своего цифрового представления очень
большого объёма памяти, поэтому без алгоритмов сжатия работа с видео и
звуковыми данными была бы невозможной. Фактическим стандартом для
представления звука стал формат MP3, а для представления видеоданных –
формат MPEG.


1.3 Внешнее представление данных
Файлы и каталоги
Любые данные, представленные в виде совокупности целых чисел, хранятся
в памяти ЭВМ в виде файлов. Файл [file] – именованная целостная совокупность
данных, причём не имеет значения, каких именно данных. Для файла данные –
это лишь набор целых чисел в двоичной форме, поэтому файл – это просто
последовательность байтов. Для пользователя имеют значение лишь два
признака, которые характеризуют файл как таковой: имя файла и его размер.
Размер файлов измеряется в байтах.
Рис. 1.6 Дерево каталогов
Как правило, файлы сортируются пользователем согласно определённым
признакам по группам. Список такой группы называется каталогом [directory].
Таким образом, организуется особая иерархическая структура – дерево
каталогов (см. рис. 1.6 – имена каталогов подчёркнуты).
Вершина такого дерева называется корневым каталогом [root directory]. Имя
корневого каталога всегда строго определено (на рис. 1.6 - C:\) и зависит от
файловой системы (см. тему 3).
Модели и базы данных
Многие объекты в конкретных прикладных задачах могут быть
представлены не в двоичной форме, а в виде сложной информационной
структуры. Например, чертёж детали можно представить в виде совокупности
отрезков прямых. Тогда в памяти ЭВМ нужно будет хранить не растр, а
совокупность вещественных чисел, описывающих координаты концов отрезков.
Формализованное описание информационных структур и операций над
ними называется моделью данных [data model].
Пример
Например, для описания шрифтов применяются три модели: битовая,
векторная и true-type. Рассмотрим, как можно представить символ «С» с
помощью битовой модели.
Битовая модель использует тот же принцип, что и битовая цветовая модель
для растровых изображений. Каждому символу отводится матрица
фиксированного размера. Пусть матрица имеет размер 8х10:
                    

После такого графического представления символа, его можно описать
десятью числами, размером 1 байт каждое:
                   00 3С 66 С0 С0 С0 66 3С 00 00
Такие описания составляются для всех символов алфавита, цифр, знаков
препинания и помещаются в один файл – файл битового шрифта. Все символы,
которые выводятся в текстовом режиме, представлены посредством битовых
шрифтов и записаны в ПЗУ.
Рассмотренное в примерах выше изображение можно представить через
описание четырёх отрезков прямых линий, задавая координаты концов
отрезков:
                   (4,2-8,2) (4,2-4,5) (4,5-8,5) (8,5-8,2)
Для такого описания требуется 16 чисел. В результате появляется
возможность различных геометрических преобразований изображения
(масштабирование, повороты, растяжения и др.). Такой способ описания
изображений называется векторным и широко используется в проектировании.
Но нужно чётко понимать, что при выводе на экран монитора данное
изображение будет представлено в растровой форме.
g
В реальных задачах для описания данных требуется очень много файлов,
причём данные, содержащиеся в этих файлах, некоторым образом связаны
между собой. Например, описание информации по деятельности некоторой
судоходной компании будет включать в себя технические данные по судам
компании, дислокацию судов, данные по участкам водных путей, размерам
канальных и портовых сборов, данные по фрахтовым ставкам, данные для
определения эксплуатационных расходов по каждому судну и т.д. Поэтому
управление файлами в таких случаях оказывается очень сложным. Чтобы
преодолеть эти сложности, исходные данные должны быть организованы в базу
данных [data base] – совокупность взаимосвязанных данных, сохраняемых и
управляемых в соответствии с некоторыми правилами. Эти правила также
называются моделью данных. Конкретное построение базы данных и
используемая модель данных определяются решаемой задачей.
Пример
Существуют несколько моделей данных: сетевая, иерархическая,
реляционная, объектно-ориентированная. В последнее время наиболее широко
используемой является реляционная модель данных. Согласно этой модели все
данные организуются в совокупность связанных таблиц. Вопросы, связанные с
проектированием баз данных изучаются в специальном курсе «Базы и банки
данных».
g


1.4 Обработка данных
Понятие программы
Решение задачи на ЭВМ – это процесс получения результатных данных на
основе обработки исходных с помощью программы.
Программа [program, routine] – это просто последовательность команд,
понятных ЭВМ, или машинных команд. Машинные
команды
[computer instruction]
представляют собой целые числа, принимая которые, ЭВМ производит строго
определённые действия. Набор этих команд зависит от конкретной ЭВМ и носит
название машинного языка [computer (machine) language]. Машинные команды,
как и данные, хранятся в файлах, однако, файлу с командами можно передать
управление компьютером. Такие файлы также называют программами.
Пример
Пусть в некотором файле записана следующая последовательность чисел:
                  
B8 05 03 BB-00 00 CD 16-CD 20
Если запустить этот файл на исполнение (то есть передать ему управление
ЭВМ) на ЭВМ с процессором Pentium в ОС Windows95, то клавиатура будет
работать быстрее. Всего в данной последовательности закодировано четыре
машинных команды.
g
Понятие алгоритма и алгоритмического языка
Любая программа составлена в соответствии с некоторым алгоритмом.
Алгоритм [algorithm] – это конечный набор предписаний, для которого указано,
как и в какой последовательности эти предписания необходимо применять к
исходным данным задачи, чтобы получить её решение. Алгоритм – это общий
метод решения задачи, конкретное выражение которого будет оформлено в
виде программы. Алгоритм даёт возможность чисто механически решать любую
задачу из некоторого класса однотипных задач. Алгоритм может быть описан
различными способами: формульно, графически, посредством некоторого
алгоритмического языка. Алгоритмический язык [algorithmic language] – система
обозначений, предназначенная для точного описания алгоритмов для ЭВМ и ли
достаточная для автоматического нахождения таких алгоритмов. Такие языки
являются искусственными языками со строго определёнными синтаксисом и
пунктуацией, поэтому они не допускают свободного толкования для своих
конструкций, как это характерно для естественного языка. Существует большое
количество языков программирования, предназначенных для решения
прикладных задач.
Пример
Рассмотрим задачу вычисления квадратного корня из некоторого
положительного вещественного числа:
                    .
Такая задача решается с помощью алгоритма Герона. В формульной записи
этот алгоритм будет иметь вид:
                    .
Имея некоторое начальное приближение, можно уточнить значение корня,
а затем вновь повторить этот процесс. Алгоритмы такого рода имеют название
циклических.
В графическом представлении алгоритм будет иметь более наглядную
форму.


На алгоритмическом языке BASIC алгоритм может быть реализован
следующим образом:
while(1)
         
y=y0
          y=(y0+x/y0)/2
          y0=y
wend
Разумеется, в реальной программе должен быть обеспечен выход из цикла.
Алгоритм Герона используется при реализации библиотек стандартных
математических функций.
g
Машинный язык относится к внутреннему уровню представления обработки
данных. Человек обращается к машинному языку в очень специфических
случаях. Алгоритмические языки представляют собой внешний уровень и имеют
форму, удобную для восприятия человеком.
Программирование и языки программирования
Использование ЭВМ немыслимо без программирования [programming],
которое в самом простом понимании представляет собой создание программ.
Более точно, программирование заключается в отображении в памяти ЭВМ
цифровых данных о реальных объектах и в описании на машинном языке
инструкций по управлению этими данными. Так как для восприятия человеком
машинные языки неудобны, то для более эффективной работы были созданы
различные языки программирования [programming language]. Наиболее
распространены так называемые процедурные языки программирования.
Процедурный язык программирования предоставляет набор типов и операций с
этими типами, а также средства для логической организации программы –
операторы [statement]. Программа на процедурном языке выполняется поэтапно
- оператор за оператором.
Наиболее распространёнными процедурными языками программирования
являются
: С, C++, Fortran, Pascal, Basic, Visual Basic, Ada.
Язык программирования Fortran был создан в 1956 г. и до 70-х годов
использовался в подавляющем числе программных проектов. На сегодняшний
день имеется огромное число прикладных программ, созданных на этом языке,
поэтому практическое использование Fortran-a продолжается. Однако область
использования этого языка программирования ограничена численными
расчётами в области физики. Все суперЭВМ имеют в составе своего
программного обеспечения средства для работы с Fortran-ом. Для Fortran-а
имеется международный стандарт, что позволяет создавать хорошо
переносимые программы.
Язык Basic представлял собой упрощённый Fortran и был создан в 1964 г.
для начального обучения программированию. Однако со временем этот язык
приобрёл популярность среди профессиональных разработчиков программ.
Основной недостаток языка – это использования большого числа «правил по
умолчанию», что затрудняет создание надёжных программ. Отсутствие
общепринятого стандарта на язык также мешает его распространению и
использованию в серьёзных программных разработках. Язык Visual Basic является
объектно-ориентированной версией языка Basic, созданной фирмой Microsoft, и
широко используется для разработки графического интерфейса прикладных
программ.
Язык Pascal был создан в 1970 г. также для изучения программирования,
однако, многочисленные положительные качества этого языка обусловили его
широкое распространение как среди прикладных, так и среди системных
программистов. Наибольшую популярность приобрела объектно-
ориентированная версия этого языка, реализованная  фирмой Borland в своей
RAD- системе
Delphi.
Язык С, созданный в 1972 г. получил распространение как язык системного
программирования. На этом языке написаны операционные системы Unix и её
многочисленные версии (Linux, IRIX, AIX), а также операционная система
Windows NT.
Язык С++, созданный в 1982 г., являясь принципиально иным языком, тем
не менее сохранил совместимость с С, а, следовательно, возможность
использования ранее созданных программ. Де-факто язык С++ стал стандартом
для создания сложных программ как системных, так и прикладных.
Язык программирования Ada был разработан в 1979 г. по заказу
Министерства обороны США и является обязательным для многих военных
приложений. Основное назначение языка – создание больших программ для
работы в реальном времени. Существенным недостатком языка является его
громоздкость.
Из непроцедурных языков наиболее известными являются LISP и PROLOG.
Язык LISP создан в 1959 г. и рассматривается как основной язык
программирования систем искусственного интеллекта.
Язык логического программирования PROLOG создан в 1978 г. и
используется для работы с базами знаний, основанными на фактах и правилах.
То есть программы, написанные на этом языке, должны обладать некоторой
степенью «интеллектуальности».
В зависимости от того, насколько детально учитываются особенности ЭВМ
в конкретном языке программирования, говорят об уровне программирования.
Язык С является низкоуровневым языком, так как может работать
непосредственно с физическими адресами памяти ЭВМ. Языка
Ada, LISP, C++
являются высокоуровневыми языками.


Вопросы к теме 1
1.       В чём принципиальное различие между информацией и данными.
2.       В разговорной речи часто употребляются понятия типа «оцифрованный
звук», «оцифрованное изображение». Что понимается под такими
понятиями.
3.       Сколько цветов можно представить с помощью 8-битовой цветовой
модели.
4.       Какой объём информации требуется для хранения 24-битного
изображения разрешением 800х600.
5.       Какой объём информации требуется для хранения 30 сек.
одноканального (моно) 16-разрядного звука с частотой выборки 44,1
кГц.
6.       В чем заключается смысл использования сжатия данных.
7.       Что такое алгоритм.




Тема 2. Техническое обеспечение
2.1 Общие сведения
Поколения ЭВМ
Рождение на свет ЭВМ было вызвано потребностью решать военные задачи
расчётного характера. Первая цифровая ЭВМ "ENIAC" была создана в 1946 г. в
США и предназначалась для баллистических расчётов при стрельбе. Первая
отечественная цифровая ЭВМ «МЭСМ» создана в 1950 г. Ход развития ЭВМ
принято делить на этапы - поколения ЭВМ. Основной показатель, по которому
ЭВМ относят к тому или иному поколению - элементная база.
Таблица 2.1 Поколения ЭВМ
Период
Эл. база
Быстродействие
Объём
ОЗУ
Внешние устройст-
ва
Архитектура
Программное
обеспечение
1946-
60
вакуумные лам-
пы,
0,1 mips
100
Кб
магн. барабан
магн. лента
перфокарта
перфолента
цифровая печать,
телетайп
фон Неймана
Библиотеки стан-
дартных программ
и ассемблеры
1955-
70
полупроводник
и
1 mips
1Мб
графопостроитель
, магнитный диск
мультипрограммный
режим
Операционные
системы, языки
программирования
высокого уровня и
трансляторы, СУБД
1965-
80
БИС
10 mips
10Мб
Дисплеи, гибкие
диски, матричные
принтеры
Мини-ЭВМ,
сети ЭВМ,
системы коллек-
тивного пользова-
ния
Диалоговые систе-
мы, машинная гра-
фика, системы об-
работки текстов,
промышленное
производство про-
граммного обеспе-
чения
1975-
90
СБИС
100 mips
100Мб
Лазерный
принтер,
винчестер, опти-
ческий диск
ПЭВМ, многопро-
цессорные системы,
локальные сети
Базы знаний, экс-
пертные системы,
сборочное про-
граммирование,
пакеты прикладных
программ общего
назначения.

Современные ЭВМ относятся также к четвёртому поколению.
Классификация ЭВМ
Любая классификация ЭВМ условна в силу их чрезвычайного разнообразия.
Назначение и функциональные возможности ЭВМ – это две взаимосвязанные
стороны, по которым можно определять место ЭВМ.
СуперЭВМ [super computer] – сверхпроизводительная система,
предназначенная для решения задач, требующих больших объёмов вычислений.
К таким задачам относятся задачи аэродинамики, ядерной физики и физики
плазмы, сейсмологии, метеорологии, обработки изображений и др. СуперЭВМ
всегда выполняются на пределе технических возможностей. Это системы общего
назначения.
Сервер [server] – ЭВМ, предоставляющая свои ресурсы другим
пользователям. Различаются файл-серверы, серверы печати, серверы баз данных
и др. Наличие сервера всегда предполагает наличие других ЭВМ, которые
связаны в сеть. Сети и серверы – это неразделимые понятия. ЭВМ, которую
обслуживает сервер, называется клиентной рабочей станцией или просто
клиентом.
Рабочая станция [workstation] – специализированная
высокопроизводительная ЭВМ, ориентированная на профессиональную
деятельность в определённой области (обычно САПР, графика), имеющая
поэтому дополнительное оборудование и специализированное программное
обеспечение.
Персональная ЭВМ - ПЭВМ [personal computer - PC] – универсальная,
однопользовательская ЭВМ. Настройка такой ЭВМ может выполняться, как
правило, самим пользователем. Среди ПЭВМ можно выделить переносные ПЭВМ
– наколенные [laptop], блокнотные [notebook] и карманные [palmtop] ЭВМ.
Терминал [terminal] – устройство, подключенное к более мощной ЭВМ, не
предназначенное для работы в автономном режиме и обеспечивающее ввод-
вывод информации и команд пользователя.
Архитектура ЭВМ
Архитектура ЭВМ – это способ обработки данных (способ организации
вычислительного процесса), который реализуется аппаратурой ЭВМ.
Простейшая архитектура была определена Дж. фон Нейманом в середине
40-х годов. В качестве основных устройств универсальной ЭВМ были выделены:
центральный процессор (ЦПУ) [processor (CPU)] (арифметико-логическое
устройство + устройство управления), память для хранения данных и команд и
устройства ввода-вывода.
Вычислительный процесс выполняется строго последовательно: команда за
командой. Также последовательно обрабатываются данные.
Такой способ организации вычислительного процесса позже получил
название архитектуры фон Неймана.
Пример
Каждая машинная команда выполняется в 5 этапов: считывание команды из
памяти, дешифрация команды, считывание данных, выполнение команды, запись
результатов в память.
Рассмотрим простую программу:
                  
a=b+c
                   d=e+f
ЭВМ, построенная согласно архитектуре фон Неймана, последовательно
выполнит эти две команды. Причём после выполнения каждой команды
процессор будет простаивать, ожидая, пока результат запишется в память, и
затем придут новые данные для следующей команды.
Однако эти команды являются несвязанными, так как для них нужны
разные данные. Поэтому их можно было бы выполнять параллельно.
Источник: [7].
g
Уже в 50-х гг. были начаты работы по разработке такой архитектуры ЭВМ,
которая позволяла в той или иной мере оптимизировать вычислительный
процесс.
Чтобы минимизировать число обращений к памяти при выполнении серии
несвязанных операций, была разработана конвейерная [pipeline] архитектура.
Для ускорения выполнения команд процессор ставит их на конвейер,
состоящий, например, из 5 каскадов. Устройство, выполняющее такую обработку
команд, называется конвейером команд [command pipeline]. Таким образом,
фазы выполнения различных операций совмещаются во времени, тем самым
поток команд из памяти команд становится более интенсивным.
Ускорение выполнения несвязанных арифметических операций достигается
аналогичным способом с помощью арифметического конвейера [arithmetic
pipeline], который интенсифицирует поток данных из памяти.
Чтобы сократить время обработки данных, можно применить другой
очевидный способ: совместить выполнение двух или более арифметических
операций во времени. Для этого нужно просто иметь два или более
арифметических устройств. Такая архитектура называется суперскалярной
[superscalar].
Архитектура фон Неймана, конвейерная и суперскалярная архитектуры
объединяются общим названием – архитектура SISD [Single Instruction Single
Data] ( см
. рис. 2.1).
Рис. 2.1 Архитектура SISD
Согласно этой архитектуре существует один поток команд и один поток
данных. Эти потоки могут подвергаться конвейеризации или распараллеливанию
внутри процессора. Большинство современных ЭВМ построено по такому
принципу.
Решение многих задач на ЭВМ связано обработкой данных векторного или
матричного типа. В таких задачах будут присутствовать программные
фрагменты
типа:
                   for i=1 to N : a[i]=b[i]+c[i] : next i
Причём число N может быть очень велико (сотни тысяч и более).
Использование ЭВМ архитектуры SISD становится неэффективным.
Для решения подобных задач применяются ЭВМ векторной [vector]
архитектуры. В состав такой ЭВМ входит векторный процессор [array (vector)
processor], который представляет собой несколько однотипных процессорных
элементов, каждый из которых выполняет операцию с соответствующим
элементом вектора данных.
Такая архитектура именуется также как архитектура SIMD [Single Instruction
Multiple Data] (. рис. 2.2).
Большинство современных суперЭВМ используют векторно-конвейерную
архитектуру, то есть каждый процессорный элемент векторного процессора
использует конвейерный способ обработки данных и команд.
Архитектуры SISD и SIMD объединяются в класс однопроцессорных
архитектур.
Класс многопроцессорных архитектур также может быть сведён к двум
видам: MISD-архитектура и MIMD-архитектура.
В архитектуре MISD [Multiple Instruction Single Data] одни и те же данные
обрабатываются большим числом параллельных процессов. Такой архитектуре
соответствует обычная локальная сеть персональных ЭВМ, которая работает с
общей базой данных. ЭВМ, которые соответствуют MISD-архитектуре, не
существует.
Рис. 2.2 Архитектура типа SIMD
Архитектура
MIMD [Multiple Instruction Multiple Data] в
возможности всех рассмотренных выше архитектур.
Можно выделить две разновидности MIMD-архитектуры: сильносвязанные и
слабосвязанные системы. Сильносвязанная архитектура реализуется, например, в
многопроцессорных серверах. Слабосвязанную архитектуру можно
проиллюстрировать на примере кластерных систем.
Производительность ЭВМ
Основа для сравнения ЭВМ различных типов – это производительность
ЭВМ, то есть время, которое затрачивает ЭВМ на выполнение некоторого объёма
работы.
Самую точную практическую оценку производительности конкретной ЭВМ
можно получить лишь из времени работы реальной программы, для выполнения
которой нужна данная ЭВМ.
Однако поскольку ЭВМ используются, как правило, для решения различных
задач, то существуют многообразные тесты, с помощью которых можно оценить
возможности ЭВМ.
Самой простой (и самой неточной) характеристикой производительности
является число MIPS [Million Instructions Per Second] - миллион команд в секунду.
В общем случае MIPS определяется как отношение количества команд в
программе ко времени её выполнения. Большее число MIPS на практике не
значит более высокой производительности ЭВМ. Это число, вообще говоря,
может меняться при выполнении разных программ даже на одной ЭВМ.
Операции с плавающей точкой состоят из нескольких десятков обычных
целочисленных операций, поэтому если ЭВМ с низким числом MIPS имеет боле
эффективную реализацию плавающей арифметики, то такая ЭВМ может быть
более производительной, чем ЭВМ с высоким числом MIPS.
Для оценки производительности ЭВМ, предназначенных для решения
научно-технических задач, в которых существенно используется плавающая
арифметика, применяется оценка по числу MFLOPS [Million Floating Point
Operations Per Second] - миллион плавающих операций в секунду. Эта оценка
гораздо более точна, чем оценка по MIPS, но справедлива только для оценки
возможностей ЭВМ при работе с плавающими числами.
Другие способы оценки производительности основаны на использовании
специально подобранных тестовых задач. Наиболее известными являются тесты
LINPACK, SpecInt92 SpecFp92, AIM.
Пример
Производительность современных суперЭВМ достигает десятков GFLOPS.
Производительность ПЭВМ имеет порядок десятков MFLOPS.
g


2.2 Аппаратные компоненты персональных ЭВМ
Структура ПЭВМ
Главная особенность структуры ПЭВМ заключается в том, все устройства
ПЭВМ обмениваются информацией через системную шину (см. рис.2.3). К
системной шине подключён центральный процессор (или несколько
процессоров), оперативная, постоянная и кеш-память, которые выполнены в
виде микросхем. Упомянутые компоненты монтируются на материнской плате
[mother board]. К материнской плате присоединяются платы (карты) внешних
устройств (ВУ): видеоадаптер, звуковая плата, сетевая плата и др. В зависимости
от сложности устройств на этих платах могут располагаться другие
специализированные процессоры: математический, графический и др. С
помощью проводов к материнской плате подключены жёсткий диск, гибкий диск
и устройство чтения оптических дисков.
Рис. 2.3 Структурная схема ПЭВМ
Все упомянутые компоненты располагаются в системном блоке. Корпус
системного блока может быть выполнен в виде:
?        desktop – настольное исполнение с горизонтальным расположением
материнской платы;
?        mini-tower – настольное исполнение с вертикальным расположением
материнской платы;
?        big tower – напольное исполнение с вертикальным расположением
материнской платы.
Выбор типа корпуса диктуется в основном возможностью последующего
расширения комплектации ПЭВМ.
Остальные компоненты, которые находятся вне системного блока,
именуются внешними устройствами: монитор, клавиатура, мышь и другие
манипуляторы, устройства резервного копирования и архивации, сканеры,
модемы и др.
Системная шина
Системная шина [bus] – система объединённых проводов для передачи
информации между подключёнными к ней устройствами ЭВМ. По шине
передаётся информация трёх типов: данные, адреса данных, команды.
Основные характеристики шины данных:
?        тактовая частота;
?        разрядность данных и адреса.
Тактовая частота шины [bus clock, bus frequency] измеряется в МГц и
определяет, сколько раз за секунду может быть передана порция данных. Размер
этой порции определяется разрядностью шины, которая измеряется в битах.
Произведение разрядности на частоту определяет теоретическую пропускную
способность шины.
Пример
Наиболее широко используемой в настоящее время является шина PCI
(Peripheral Component Interconnect). шина ISA (Industry Standard
Architecture) или AT-шина до сих пор используется по причинам обеспечения
совместимости. Основные характеристики приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2 Характеристики системных шин
Название
Частота,
МГц
Разрядност
ь
данных
Разрядност
ь адреса
Мбайт/с
PC XT
4,77
8
20
5
ISA
8
16
24
8
PCI
33
32,64
32
80,16
0
g
Центральный процессор
Центральный процессор [processor, CPU] – устройство, непосредственно
осуществляющее процесс обработки данных. Основная задача процессора – это
интерпретация команд и рассылка соответствующих управляющих сигналов к
другим устройствам. Процессоры в ПЭВМ выполнены в виде одной микросхемы и
потому называются также микропроцессорами.
Основные характеристики процессора:
?        тактовая частота;
?        длина слова (разрядность);
?        архитектура.
Тактовая частота процессора [CPU speed (clock, frequency)] число
элементарных операций - тактов, выполняемых в течение одной секунды. В
современных ПЭВМ под тактовой частотой понимается внутренняя частота.
Обмен данными с внешним миром осуществляется на частоте системной шины,
которая всегда меньше внутренней частоты процессора. Тактовая частота грубо
характеризует скорость работы процессора.
Длина слова (разрядность процессора) – это максимальное количество
разрядов двоичного кода, которые могут передаваться или обрабатываться
одновременно за один такт. Все современные микропроцессоры 32 или 64
разрядные.
Пример
Применительно к ПЭВМ понятие «разрядность» включает:
?        разрядность внутренних регистров (внутренняя длина слова);
?        разрядность шины данных (внешняя длина слова);
?        разрядность шины адреса.
Разрядность внутренних регистров определяет формат команд процессора
и размер данных, с которыми можно оперировать в командах.
Разрядность шины данных определяет скорость передачи информации
между процессором и другими устройствами.
Разрядность шины адреса определяет размер адресного пространства, т.е.
максимальное число байтов, к которым можно осуществить доступ. Например,
если разрядность шины адреса равна 16, то возможный размер памяти в ЭВМ
равен 216=65536 или 65 Кб.
g
Архитектура процессора – это очень ёмкое понятие, в составе которого
можно рассматривать следующие элементы:
?        система команд;
?        способ организации вычислительного процесса;
?        поддержка мультипроцессорности.
Система команд [instruction set] – полный список кодов операций, которые
способен выполнять процессор. По составу команд различают: CISC-архитектуру
[Complex Instructions Set Computer] RISC-архитектуру [Reduced Instructions Set
Computer].
Большинство ЭВМ использует CISC-архитектуру. Основная идея RISC – так
упростить команды процессора, чтобы они могли быть выполнены за один такт.
Это позволяет спроектировать очень эффективный конвейер команд.
Набор команд процессора определяет его функциональное назначение, в
соответствии с которым различают универсальные и специализированные
процессоры.
Универсальный процессор способен реализовать любой алгоритм и
используется в качестве центрального процессора. Специализированный
процессор служит для решения задач определённого класса. Среди таких
сопроцессоров можно выделить математические и графические процессоры.
С системой команд связано такое важное свойство, как совместимость. Два
процессора называются совместимыми [compatible], если их системы команд
одинаковы.
Пример
Программу ускорения клавиатуры можно записать в машинном языке:
                  
B8 05 03 BB-00 00 CD 16-CD 20
или в переводе на автокод
         
B80503                     mov    ax,00305
          BB0000                     mov    bx,00000
          CD16                         int    16
          CD20                         int    20
Данная программа использует систему команд процессора Intel8086 и без
изменений может быть перенесена на процессоры Intel 80286, 80386, 80486,
Pentium I, Pentium II, Pentium III. Pentium I.
g
Для повышения эффективности вычислительного процесса в современных
микропроцессорах применяется конвейерная и суперскалярная обработки
данных.
Процессор может иметь устройства, которые позволяют использовать его в
многопроцессорной конфигурации. Работа в мультипроцессорном режиме
обеспечивается как архитектурой процессора, так и возможностями
операционной системы. Например, Windows95 не имеет такой поддержки, а
Windows NT Server поддерживает четыре процессора.
Пример
Архитектура микропроцессора Pentium имеет следующие особенности:
?        суперскалярная конвейерная архитектура;
?        конвейерное вычисление с плавающей точкой;
?        поддержка мультипроцессорности;
?        повышенная разрядность внешней шины данных.
Разрядность регистров – 32 бит, шины адреса - 32 бит, шины данных - 64
бит. Производительность микропроцессора Pentium I с тактовой частотой 66
МГц оценивается в 112 MIPS.
Оценка производительности различных микропроцессоров приведена в
табл. 2.3.
Таблица 2.3 Сравнение микропроцессоров
Процессор
Частота, МГц
Тип

SPECint92
SPECfp92
PA RISC
200
RICS
360
550
Alpha 21164
300
RISC
330
500
PowerPC
133
RISC
225
300
PowerPC
66
RISC
48
84
Pentium II
133
CISC
200
200
Pentium I
133
CISC
148
110
Pentium I
66
CISC
65
57
Intel 486 DX2
66
CISC
32
16
Источник: www.citforum.ru.
Микропроцессор Celeron в отличие от Pentium не может работать в
мультипроцессорном режиме.
Современные микропроцессоры имеют внутреннюю частоту порядка 900
МГц.
g
Внешняя и внутренняя память
Память [memory, storage] – часть ЭВМ, предназначенная для приёма,
хранения и выдачи данных. Различают внутреннюю и внешнюю память.
Внутренняя память [internal storage] конструктивно выполняется в виде
модулей, представляющих собой несколько микросхем на небольшой плате и
предназначено для хранения промежуточных данных, к которым необходим
максимально быстрый доступ. Гораздо чаще внутреннюю память именуют
оперативной памятью, сокращённо - ОЗУ [Random Access Memory - RAM], или
основной памятью [main memory].
Микросхемы основной памяти всегда работают медленнее процессора.
Поэтому процессору часто приходится делать пустые такты, ожидая
поступления данных из памяти. Чтобы частично решить эту проблему,
используется память небольшого размера (порядка 128 – 512 Кб), которая
выполнена на базе более скоростных (и более дорогих) микросхем памяти. Такая
память называется кешем [caсhe] или сверхоперативной памятью.
Внешняя память [external storage] – реализуется на внешних запоминающих
устройствах.
Основными характеристиками памяти являются: ёмкость, время доступа,
стоимость хранения единицы информации.
Пример
Микросхемы памяти в современных ПЭВМ могут работать на частоте
порядка 100 МГц, что соответствует времени доступа 10 нс. Типичный объём
основной памяти для большинства ПЭВМ - 64 Мб.
g
Внешние устройства
Как правило, внешние (периферийные) устройства [external (peripheral)
device (unit)] ЭВМ делятся на устройства ввода, устройства вывода и внешние
запоминающие устройства (ЗУ). Основной обобщающей характеристикой
внешних устройств может служить скорость передачи данных (см. табл. 2.4).
Для подключения внешних устройств к процессору и для управления ими
используется стандартная система правил – интерфейс. Фактическим стандартом
для подключения любой периферии является SCSI-интерфейс [Small Computer
System Interface]. Для подключения жёстких дисков используется также IDE-
интерфейс
[Integrated Device Electronics].
Таблица 2.4 Внешние устройства
Тип устройства
Направление
передачи данных
Скорость передачи
Кбайт/с
Клавиатура
ввод
0,01
Мышь
ввод
0,02
Голосовой ввод
ввод
0,02
Сканер
ввод
200
Голосовой вывод
вывод
0,06
Строчный принтер
вывод
1,00
Лазерный принтер
вывод
100
Оптический диск
ЗУ
4800
Магнитная лента
ЗУ
2000
Магнитный диск
ЗУ
15000
Флоппи диск
ЗУ
40
Источник: www.citforum.ru.
Внешние запоминающие устройства
В качестве внешней памяти в ПЭВМ применяются носители, использующие
различные физические принципы.
Магнитные диски - [magnetic disk] – это основные носители информации
внешней памяти ПЭВМ. Среди всех других внешних запоминающих устройств
накопители на жёстких магнитных дисках - НЖМД или винчестеры [hard disk
drive – HDD] отличаются наибольшей скоростью передачи данных. Однако
надёжность хранения информации на магнитных дисках не слишком высока.
Поэтому в серверах используются специальные устройства, состоящие из
нескольких
жёстких – RAID-системы [redundant array of inexpensive disks].
Надёжность повышается за счёт избыточного хранения информации. Гибкие
магнитные диски [floppy disk] – это основные переносные носители. Надёжность
хранения информации невысока и ёмкость невелика. Большое преимущество
гибких дисков перед другими переносными носителями заключается в низкой их
стоимости.
Магнитные ленты [magnetic tape] – это основные носители для резервного
копирования данных и архивирования. Отличаются высокой надёжностью,
относительно низкой стоимостью, но невысокой скоростью передачи данных.
Оптические диски [optical disk] – эти носители также используются для
резервного копирования и архивирования. Устройства чтения-записи магнитных
лент именуются стриммером. Они обладают очень высокой надёжностью
хранения, но стоимость хранения единицы информации гораздо дороже, чем у
магнитных лент.
Пример
Современные жесткие диски имеют ёмкость порядка 10 Гб. Гибкие диски
имеют несколько форматов 720 Кб, 1,44 Мб и 2,88 Мб. Среди магнитных лент
наиболее часто используются ленты ёмкостью 3-5Гб. Оптические диски имеют
ёмкость 650 Мб.
Стоимость хранения 1 Мб на 2000 г. для жёстких дисков составляет 0,2
долл., для магнитооптических  - 0,15 долл., для оптических – 0,14 долл., для
магнитных лент – 0,03 долл.
Источник: www.citforum.ru.
g
Внешние устройства ввода-вывода
В ПЭВМ применяются многочисленные устройства ввода-вывода.
Основными характеристиками являются скорость ввода-вывода и качество
ввода-вывода. Под качеством ввода-вывода может пониматься разрешение,
цветность, точность цветопередачи и другие параметры.
Таблица 2.5 Характеристики устройств ввода-вывода
Устройство
Характеристики (порядок величин)
Устройства ввода
Клавиатура
[keyboard]
Эргономичность, число нажатий (10 млн.-100
млн.)
Графический планшет [digitizer]
Разрешение, линии на дюйм (1000-2000);
Число уровней давления (128-512).
Сенсорный
экран
[touch screen]
Разрешение.
Сканер
[scanner]
Разрешение, точек на дюйм (300-1200 dpi);
Количество воспринимаемых цветов (2, 256, 24
млн.);
Скорость сканирования (1-2 стр/мин);
Размер обрабатываемых изображений (А4, А5 и
т.д.);
Толщина сканируемого документа (для
рулонных);
Устройства вывода
Принтер
[printer]
Разрешение (600-1200 точек на дюйм [dpi]);
Скорость печати (10-20 стр/мин);
Цветность
Графопостроитель
[plotter]
Разрешение (0,02-0,07 мм);
Количество перьев (8-24)
Быстродействие (400-1000 мм/с)
Источник: [2].
Одни и те же устройства могут быть выполнены на основе различных
физических принципов. Например, принтеры бывают матричные, струйные и
лазерные. Такие устройства могут существенно различаться по многим
характеристикам.
Видеосистемы
Видеосистема – это основное устройство вывода информации ПЭВМ. В
состав видеосистемы входят видеоадаптер и монитор.
Видеоадаптер реализован в  виде платы, присоединённой к материнской
плате. На плате видеоадаптера находится видеопамять [video-RAM] и
графический процессор. Размер видеопамяти определяет максимальное
разрешение, которое поддерживает видеоадаптер. Графический процессор
служит для ускорения вывода сложных изображений.
Монитор должен соответствовать возможностям видеоадаптера. В
частности, монитор должен поддерживать те видеорежимы, которые
поддерживает видеоадаптер.
Наиболее важные характеристики мониторов: размер экрана, максимальное
разрешение, вертикальная и горизонтальная частоты развёртки, уровень
электромагнитного излучения. Монитор является наиболее вредным для
здоровья человека компонентом ЭВМ. Поэтому определение упомянутых
характеристик имеет большое значение. Размер монитора, разрешение и
частоты развёртки в совокупности влияют на зрение человека и должны быть
взаимосвязаны.
Размер мониторов определяет длину диагонали экрана и измеряется в
дюймах. Наиболее употребимыми являются мониторы с размером диагонали 15
и 17 дюймов. Мониторы больших размеров используются для специальных
работ: графика, САПР и т.д.
Разрешение [resolution] измеряется в точках по горизонтали и вертикали,
например, 1024х768.
Частота развёртки [frequency] определяет, с какой скоростью происходит
обновление изображение на экране. Например, низкое значение вертикальной
частоты развёртки (менее чем 70 Гц) будет заметно по мерцанию экрана.
Если монитор имеет длину по диагонали 17 дюймов, то разрешение
изображения не должно быть меньше 1024х768, при частоте вертикальной
развёртки не менее 75 Гц. В противном случае при работе за таким монитором
глаза будут быстро утомляться.
Уровень электромагнитного излучения должен соответствовать какому-
нибудь стандарту, например, TCO95. Монитор обязательно должен быть
заземлён. Относительно влияния излучения монитора на здоровье человека до
сих пор нет общепризнанного мнения.


Вопросы к теме 2
1.       На какие типы и по какому признаку можно условно разделить ЭВМ.
2.       Какая основная цель преследовалась при создании ЭВМ с параллельной
обработкой данных.
3.       Что такое производительность ЭВМ и как её можно оценить.
4.       Каковы основные аппаратные компоненты ПЭВМ.
5.       Что понимается под совместимостью ЭВМ.
6.       Назовите основные характеристики центрального процессора.
7.       Какие задачи возлагаются на внешние устройства. Каковы их основные
характеристики.
8.       Каковы слагаемые производительности ПЭВМ.



Тема 3. Программное обеспечение
3.1 Общие сведения
Классификация программных средств
ЭВМ является исполнителем программ.
Программное обеспечение (ПО) [software]– это просто совокупность
программ, используемых для решения задач на ЭВМ. ПО делится на системное и
прикладное.
Системное ПО [system software] предназначено для разработки и
выполнения программ, а также для предоставлению пользователю некоторых
средств общего назначения для управления ЭВМ. Системное ПО – необходимое
дополнение к аппаратной части ЭВМ.
Прикладное ПО [application software] предназначено для решения
определённой задачи или класса задач.

Рис. 3.1 Классификация программного обеспечения
Источник: [2].
Задачей прикладного ПО является автоматизация конкретного вида
человеческой деятельности.
Главное место в наборе системных программ занимают операционные
системы. Операционная система – это неотъемлемая часть ЭВМ. Она снабжает
другие программы и пользователя необходимыми средствами для управления
ЭВМ.
Сервисные системы расширяют возможности операционной системы.
(DOS-
Shell или
Norton Commander для DOS, Norton Utilities for Windows,
многочисленные оболочки для UNIX-семейства ОС).
Инструментальные системы предназначены для решения задач, которые
встречаются в составе любой проблемы, ориентированной на применение ЭВМ, и
не связаны с конкретной практической областью.
Системы техобслуживания используются для облегчения тестирования
оборудования ЭВМ и применяются специалистами по аппаратуре ЭВМ.
Иерархия программных средств
Все программные средства можно разделить на внутреннее и внешнее ПО.
Программы первого уровня хранятся в ПЗУ и работают непосредственно с
аппаратурой ЭВМ. Таким образом, все подобные программы являются
неотъемлемой частью конкретной ЭВМ. Поэтому набор таких программ
называют внутренним программным обеспечением. Для ПЭВМ совокупность этих
программ носит название BIOS (Base Input Output System – базовая система
ввода-вывода). В состав BIOS входят:
?        драйверы стандартных внешних устройств;
?        тестовые программы для контроля работоспособности оборудования;
?        программа начальной загрузки.
Все эти программы начинают работать при включении ЭВМ: сначала
тестируют память, затем проверяют наличие внешних устройств и их
работоспособность и после всего передают управление операционной системе.
Рис. 3.2 Иерархия программных средств.
Источник: [10].
Драйвер [driver] – программа, обслуживающая внешнее устройство. Она
предоставляет пользователю или программам более высокого уровня набор
функций – программный интерфейс – для управления конкретным внешним
устройством. Кроме того, драйвер обрабатывает прерывания от обслуживаемого
устройства.
Второй уровень принадлежит операционным системам. В состав
операционной системы обычно также входят дополнительные драйверы,
которые обеспечивают работу с внешними устройствами, не известными
внутренним драйверам. Операционная система предоставляет программам более
высокого уровня набор функций (программный интерфейс), а пользователям –
набор утилит и некоторые инструментальные программы (пользовательский
интерфейс).
К третьему уровню относятся все остальные программы.
Программы второго и третьего уровней хранятся в файлах.
Программное обеспечение первого уровня является машинно-зависимым
[computer-independent]. То есть для каждого микропроцессора или семейства
ЭВМ набор данных программ уникален.
Операционная система имеет машинно-зависимое ядро [kernel] – небольшой
набор программ, с помощью которых осуществляется более эффективное
управление ЭВМ конкретного типа (семейство ЭВМ, тип процессора, конкретные
аппаратные компоненты ЭВМ и внешние устройства). Остальные программы
операционной системы стараются делать максимально независимыми от
конкретной ЭВМ. Свойство программы, позволяющее переносить её без
переделок с одной ЭВМ на другую, называется переносимостью [portability]. Если
программа является машинно-зависимой, то её переносимость определяется
степенью совместимости ЭВМ. Переносимость программ имеет прямое влияние
на коммерческие возможности программных продуктов.


3.2 Операционные системы
Общая характеристика
Операционная система [operating system] – это комплекс программ,
обеспечивающий управление ресурсами ЭВМ и процессами, которые используют
эти ресурсы при вычислениях.
Ресурс – это любой логический или аппаратный компонент ЭВМ.
Основными ресурсами являются процессорное время и оперативная память.
Ресурсы могут принадлежать одной или нескольким внешним ЭВМ, к которым
операционная система обращается, используя вычислительную сеть. Процесс –
это последовательность действий, предписанных программой.
Управление ресурсом состоит из двух функций:
?        упрощение доступа к ресурсу;
?        распределение ресурсов между конкурирующими за них процессами.
Для решения первой задачи операционные системы поддерживают
пользовательский и программный интерфейсы. Для решения второй
операционные системы используют различные алгоритмы управления
виртуальной памятью и процессором.
Операционные системы характеризуются признаками:
?        количество пользователей, одновременно обслуживаемых системой
(однопользовательские и многопользовательские);
?        число одновременно выполняемых процессов (однозадачные и
многозадачные);
?        тип используемой вычислительной системы (однопроцессорные,
многопроцессорные, сетевые, распределённые).
Пример
Операционная система Windows98 является многозадачной, ОС Linux –
многопользовательской, MS-DOS однозадачной и, следовательно,
однопользовательской. Операционные системы Windows NT и Linux могут
поддерживать многопроцессорные ЭВМ с 16 процессорами. Операционная
система Novell NetWare является сетевой, однако, встроенные сетевые средства
имеют также Windows NT и Linux.
g
Пользовательский и программный интерфейсы
Для упрощения доступа к ресурсам ЭВМ операционные системы
поддерживают пользовательский и программный интерфейсы.
Пользовательский интерфейс [user interface] – это набор команд и
сервисных услуг, которые упрощают пользователю работу с ЭВМ.
Рис. 3.3 Интерфейсы операционной системы.
Источник [2].
Программный интерфейс [program interface] – это набор процедур, которые
упрощают для программиста управление ЭВМ.
Пример
Операционная система Windows98 предоставляет пользователю
графический интерфейс, который представляет собой (с точки зрения
пользователя) набор правил для наглядного управления ЭВМ. Кроме
графического интерфейса пользователю предоставляется также командный
интерфейс, то есть набор команд определённого формата. Для этого в
системном меню имеется пункт «Выполнить». Например, чтобы скопировать
файл на дискету, нужно набрать:
copy file a:\.
Основной упор в Windows98 сделан на графическом интерфейсе. В
операционной системе Linux также имеются две возможности для управления
ЭВМ, но, как правило, предпочтение отдаётся командам.
Набор системных функций в Windows98 носит название API (Application
Programming Interface). В этом наборе имеются более тысячи процедур для
решения разных системных задач. Например, если в программе на языке Си
написать
MessageBox (wnd, "Форматирование винчестера, вы уверены?"," ", MB_OK);
то, дойдя до этого места, программа высветит небольшое окно с данным
сообщением и кнопкой ОК и будет ожидать нажатия этой кнопки.
g
Процессорное время и организация памяти
Для организации многозадачного режима операционная система должна
некоторым образом распределять время работы процессора между
одновременно работающими программами. Обычно используется так
называемый вытесняющий режим многозадачной работы. При вытесняющем
режиме каждая программа непрерывно работает в течение строго
определённого промежутка времени кванта времени, по истечении которого
процессор переключается на другую программу. Так как квант времени очень
небольшой, то при достаточной производительности процессора создаётся
иллюзия одновременной работы всех программ.
Одной из главных задач операционной системы является управление
памятью. Когда основной памяти не хватает, все данные, которые не
используются в данный момент, записываются в особый файл подкачки. Память,
представленная файлом подкачки, называется внешней страничной памятью
[external page storage]. FAT16 [File Allocation Table] – в Windows95, OS\2, MS-
DOS;
FAT32 и
VFAT [Virtual FAT] – используется
в Windows95;
NTFS [NT File System]– в Windows NT;
HPFS [High Performance File System]– в OS\2;
Linux Native, Linux Swap – в Linux.
Файловая система FAT наиболее просто устроена. Имя корневого каталога
имеет всегда вид: А:\, В:\, С:\ и т.д. Имя файла состоит из трёх частей: путь,
собственно имя, расширение.
Путь [path] – это имя каталога, в котором файл расположен. Расширение
[extension] указывает на тип файла. Например, на рис. 1.6 полное имя файла
C:\Windows\System\gdi.exe, - C:\Windows\System\, – exe,
собственно имя - gdi.
Согласно правилам FAT собственно имя файла может содержать до 8
символов, а расширение имени, отделяемое от имени точкой – до 3-х. При
именовании файлов прописные и строчные буквы не различаются. Полное имя
файла включает в себя наименование логического устройства, на котором
находится файл и имя каталога, в котором файл расположен. Система хранит
информацию о размере файла и дате его создания.
По организации данных VFAT напоминает FAT. Однако она позволяет
использовать длинные имена файлов: имена до 255 символов, полные имена до
260. Система позволяет хранить также дату последнего доступа к файлу, что
создаёт дополнительные возможности для борьбы с вирусами.
g
Файловая система может быть реализована в виде драйвера, с которым
через операционную систему общаются все программы, читающие или
записывающие информацию на внешние устройства.
Файловая система может включать в себя средства безопасности хранения
информации. Например, файловая система NTFS имеет средства
автоматического исправления ошибок и замены дефектных секторов.
Специальный механизм отслеживает и фиксирует все действия, выполняемые
над магнитными дисками, поэтому в случае сбоя целостность информации
восстанавливается автоматически. Кроме этого, файловая система может иметь
средства защиты информации от несанкционированного доступа.
Защита информации
Защита информации – это очень большая проблема. В рамках работы
операционной системы под защитой информации подразумевается в основном
обеспечение целостности информации и защита от несанкционированного
доступа. Обеспечение целостности возлагается в основном на файловую
систему, а защита от несанкционированного доступа – на ядро. Обычным
механизмом такой защиты является использование паролей и уровней
привилегий. Для каждого пользователя определяются границы доступа к
файлам и приоритетность его программ. Наивысший приоритет имеет системный
администратор.
Сетевые средства и распределённые системы
Составной частью современных операционных систем являются средства,
которые позволяют связываться через вычислительную сеть с приложениями,
работающими на других ЭВМ. Для этого операционная система решает в
основном две задачи: обеспечение доступа к файлам на удалённых ЭВМ и
возможность запуска программы на удалённой ЭВМ.
Первая задача наиболее естественно решается с помощью использования
так называемой сетевой файловой системы [network file system - NFS], которая
организует работу пользователя с удалёнными файлами так, как будто эти
файлы находятся на магнитном диске самого пользователя.
Вторая задача решается с помощью механизма вызова удалённой
процедуры [remote procedure call — RPC], который реализуется средствами ядра
и также скрывает от пользователя разницу между локальными и удалёнными
программами.
Наличие средств для управления ресурсами удалённых ЭВМ, является
основой для создания распределённых вычислительных систем. Распределённая
вычислительная система [distributed computer system] – это совокупность
нескольких связанных ЭВМ, работающих независимо, но выполняющих общее
задание. Такую систему можно рассматривать как многопроцессорную.
Модель «клиент-сервер»
Важной особенностью современных операционных систем является то, что
в основу взаимодействия прикладной программы и операционной системы
заложена модель «клиент-сервер». Все обращения пользовательской программы
(клиента) к операционной системе обрабатываются специальной программой
(сервером). При этом используется механизм, аналогичный вызову удаленной
процедуры, что позволяет легко перейти от взаимодействия между процессами в
пределах одной ЭВМ к распределенной системе.
Технология
«plug and play».
Под технологией «plug and play» (PnP-технология) понимается способ
взаимодействия между операционной системой и внешними устройствами.
Операционная система проводит опрос всех периферийных устройств и должна
получить от каждого устройства определённый ответ, из которого можно
определить, какое устройство подключено и какой драйвер требуется для его
нормальной работы. Цель использования данной технологии заключается в
упрощении подключения новых внешних устройств. Пользователь должен быть
избавлен от сложной работы по настройке внешнего устройства, требующей
высокой квалификации.


3.3 Сервисные и инструментальные системы
Сервисные системы
Сервисная система – программный продукт, изменяющий и дополняющий
пользовательский и программный интерфейсы операционной системы.
Сервисные системы различаются на операционные среды, оболочки и утилиты.
Операционная среда – система, изменяющая и дополняющая как
пользовательский, так и программный интерфейс. Операционная среда  создаёт
для пользователя и прикладных программ иллюзию работы в полноценной
операционной системе. Появление операционной среды обычно означает, что
используемая операционная система не полностью удовлетворяет требованиям
практики.
Рис. 3.5 Роль операционной среды
Источник [2].
Оболочка [shell] – система, изменяющая пользовательский интерфейс. Оболочка
создаёт для пользователя интерфейс, отличный от такового самой
операционной системы. Задача оболочки – упрощение некоторых
общеупотребительных действий с операционной системой. Однако оболочка не
заменит ОС, и потому пользователь-профессионал должен изучать также
командный интерфейс самой ОС.
Рис. 3.6 Роль оболочки ОС
Источник [2].
Утилита [utility] – это система, дополняющая пользовательский интерфейс.
Утилиты реализуют важные функции по управлению ЭВМ, которые, как правило,
недостаточно полно представлены в программах, поставляемых с операционной
системой.
Наиболее важными функциями утилит являются:
?        обслуживание жёсткого диска: форматирование, восстановление
удалённых файлов, дефрагментация, низкоуровневое редактирования дисков и
др.;
?        обслуживание файлов и каталогов: поиск, сортировка, копирование по
определённому условию и т.д.;
?        работа с архивами: создание архивов и их обновление, сжатие файлов;
?        защита от компьютерных вирусов: обнаружение вирусов, лечение
файлов;
?        предоставление пользователю расширенной информации и ПЭВМ и ОС;
?        шифрование информации.
Рис. 3.7 Роль утилиты
Источник [2].
Пример
Наиболее известные операционные среды - Windows3.11 и DESQview,
которые предназначались для расширения возможностей ОС MS-DOS. Для
пользователя работа с этими оболочками выглядела подобно работе в
многозадачной ОС с графическим интерфейсом, поэтому многие зачастую
ошибочно называли Windows3.11 операционной системой.
ОС Unix имеет в своём составе, как правило, несколько оболочек, которые
отличаются друг от друга в основном форматом и набором команд. Самой
популярной оболочкой для MS-DOS являлась программа Norton Commander,
которая стала прообразом для многих других подобных программ для ОС
Windows95: Windows Commander, FAR-Manager и font-family:Tahoma;mso-fareast-font-family:"MS Mincho";mso-ansi-language:EN-US'>
font-family: Tahoma;mso-fareast-font-family:"MS Mincho"'>др
.
В своём составе Windows95 имеет некоторые утилиты: для проверки диска
Scandisk, для дефрагментации диска Defrag, планировщик заданий Scheduler,
которые устанавливаются на ПЭВМ по желанию пользователя. Наиболее
известными утилитами как для MS-DOS, так и для Windows95 остаётся комплекс
программ
Norton Utilities.
Широко используемыми утилитами являются архиваторы. К ним относятся,
например, WinZip, WinRar, WinArj, которые отличаются по сути только
используемым алгоритмом сжатия.
g
Инструментальные системы
Инструментальная система – это программный продукт, обеспечивающий
разработку информационно-программного обеспечения.
К инструментальным системам относятся: системы программирования;
системы быстрой разработки приложений и системы управления базами данных.
Система программирования предназначена для разработки прикладных
программ с помощью некоторого языка программирования.
В её состав включаются:
?        компилятор и/или интерпретатор;
?        редактор связей;
?        среда разработки;
?        библиотека стандартных подпрограмм;
?        документация.
Компилятор [compiler] – это программа, выполняющая преобразование
исходной программы в объектный модуль, то есть файл, состоящий из
машинных команд. Интерпретатор [interpreter] – программа, непосредственно
выполняющая инструкции языка программирования.
Редактор связей [linker] – это программа, которая собирает несколько
объектных файлов в один исполняемый файл.
Интегрированная среда разработки [integrated development environment -
IDE] – совокупность программ, включающая в себя текстовый редактор,
средства управления файлами программного проекта, отладчик [debugger]
программ, которая автоматизирует весь процесс разработки программ (см. рис.
3.8).
Библиотека стандартных подпрограмм [standard library] – набор объектных
модулей, организованных в специальные файлы, которые предоставляются
производителем системы программирования. В таких библиотеках имеются
обычно подпрограммы ввода-вывода текста, стандартные математические
функции, программы управления файлами. Объектные модули из стандартной
библиотеки обычно автоматически подключаются редактором связей к
пользовательским объектным модулям.
Рис. 3.8 Этапы разработки программ
Системы быстрой разработки приложений [rapid application development -
RAD] представляют собой развитие обычных систем программирования. В RAD-
системах во многом автоматизирован сам процесс программирования.
Программист не пишет сам текст программы, а с помощью некоторых наглядных
манипуляций указывает системе, какие задачи должны выполняться программой.
После чего RAD-система сама генерирует текст программы.
Пример
Среди наиболее известных систем программирования можно назвать
системы
Borland C++, Microsoft Visual C++. : Borland Delphi, Microsoft Visual BASIC, Borland C++ Builder, Sybase
PowerBuilder.
g
Система
управления данных - СУБД [database management system -
DBMS] – это комплекс программ, предназначенных для создания, ведения и
совместного использования базы данных многими пользователями. В состав
СУБД может входить система программирования, дополненная средствами,
специфическими для управления БД.


Вопросы к теме 3
1.       Какие виды программного обеспечения Вы знаете.
2.       В чём отличие между прикладным и стандартным ПО.
3.       Что такое машинно-зависимая программа.
4.       Что понимается под переносимостью программ.
5.       Какова роль операционных систем.
6.       Что такое пользовательский и программный интерфейсы. Как они
реализованы средствами операционной системы.
7.       Какие операционные системы Вы знаете.
8.       Каковы задачи сервисных систем.
9.       Для чего предназначены инструментальные системы.



Тема 4. Вычислительные сети
Понятие вычислительной сети
Вычислительная сеть - ВС [network] – это совокупность ЭВМ, объединённых
средствами передачи данных. Средства передачи данных в ВС в общем случае
состоят из следующих элементов: связных ЭВМ, каналов связи (спутниковых,
телефонных, волоконно-оптических и др.), коммутирующей аппаратуры и др.
В зависимости от удалённости ЭВМ, входящих в ВС, сети условно разделяют
на локальные и глобальные.
Локальная сеть - ЛВС [local area network - LAN] – это группа связанных друг
с другом ЭВМ, расположенных в ограниченной территории, например, в здании.
Расстояния между ЭВМ в локальной сети может достигать нескольких
километров. Локальные сети развёртываются обычно в рамках некоторой
организации, поэтому их называют также корпоративными сетями.
Если сеть выходит за пределы здания, то такая ВС называется глобальной
[wide area network -WAN].         организация совместного использования файлов для повышения
целостности информации;
?        организация совместного использования периферийных устройств,
например, принтеров, для уменьшения общих расходов на оборудование
офиса;
?        обеспечения централизованного хранения данных для облегчения их
защиты и архивирования.
Глобальные сети придают всему этому большие масштабы и добавляют
такую удобную вещь, как электронная почта.
4.1 Локальные вычислительные сети
Архитектура локальной сети
Для характеристики архитектура сети используют понятия логической и
физической топологии.
Физическая топология [physical topology] – это физическая структура сети,
способ физического соединения всех аппаратных компонентов сети. Существует
несколько видов физической топологии.
Наиболее простой является физическая шинная топология [bus topology], в
которой кабель идёт от ЭВМ к ЭВМ, связывая их в цепочку. Различают толстые и
тонкие сети. Толстая сеть [thicknet] использует толстый коаксиальный кабель в
качестве магистрали, от которого отходят более тонкие кабели.
В тонкой сети [thinnet] используется более тонкий и гибкий кабель, к
которому напрямую подключены рабочий станции.
Сети, построенные по шинной топологии, более дёшевы. Однако если узлы
сети расположены по всему зданию, то гораздо более удобным оказывается
использование звездообразной топологии.
При физической звездообразной топологии [star topology] каждый сервер и
рабочая станция подключаются к специальному устройству – центральному
концентратору [hub], который осуществляет соединение пары узлов сети –
коммутацию.
Рис. 4.1 Шинная топология - толстая сеть
Обрыв кабеля, идущего от одной рабочей станции не повлияет на работу
остальных рабочих станций. Кроме того, взаимное расположение рабочих
станций совершено не важно.
Рис. 4.2 Шинная топология - тонкая сеть
Если сеть имеет много узлов, причём многие располагаются на большом
удалении друг от друга, то расход кабеля при использовании звездообразной
топологии будет большим. Кроме того, к концентратору можно подключить
лишь ограниченное число кабелей. В таких случаях применяется распределённая
звездообразная топология [distributed star topology], при которой несколько
концентраторов соединяются друг с другом.
Кроме рассмотренных видов соединений может применяться также
кольцеобразная топология, при которой рабочие станции соединены в кольцо.
Такая топология практически не используется для локальных сетей, но может
применяться для глобальных.
Логическая топология сети [logical topology] определяет способ, в
соответствии с которым устройства сети передают информацию от одного узла к
следующему. Физическая топология не имеет прямого отношения к логической.
Различают два вида логической топологии: шинную и кольцевую.
Рис. 4.3 Звездообразная топология
В шинной логической топологии процесс передачи данных организован
следующим образом. Если какой-либо узел сети имеет данные для другого узла,
то первый узел производит «оповещение» всей сети. Все остальные узлы
«слушают» сеть и проверяют, предназначены эти данные для них или нет. Если
предназначены, то они оставляют их себе, если нет – игнорируют. Любые
передаваемые данные «слышны» всем узлам сети. Узел, который хочет передать
какие-то данные, сначала «слушает» сеть, не занята ли она. Если сеть свободна,
то узел передаёт данные. Если расстояние между узлами велико, и посланный
ранее кем-то сигнал ещё не успел дойти до передающего узла, то может
произойти конфликт, когда в сети одновременно оказываются два сообщения. В
этом случае передающие узлы сети на короткое время прекращают свою работу
и через некоторый случайный промежуток времени возобновляют передаче
данных.
Рис. 4.4 Распределённая звездообразная топология
В сети с кольцевой логической топологией данные передаются по
замкнутой эстафете от одного узла к другому. Когда посланное сообщение
возвращается к передающему узлу, он прекращает передачу. Кольцевая
топология менее подвержена конфликтам.
Аппаратные компоненты локальной сети
Основными компонентами, составляющими любую локальную сеть,
являются: кабели, сетевые интерфейсные платы, модемы, серверы.
Все соединения с сети осуществляются посредством специальных сетевых
кабелей. Основными характеристиками сетевого кабеля являются скорость
передачи данных и максимально допустимая длина. Обе характеристики
определяются физическими свойствами кабеля.
Пример
Для соединения в локальных сетях используются: кабели типа «витая пара»
и «экранированная витая пара», коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.
Таблица 4.1 Типы кабелей
Тип кабеля
Скорость
передачи
данных, Мбит/с
Допустимая
длина, м
Витая пара
100
90
Экранированная витая
пара
100
90
Коаксиальный
10
750
Оптоволоконный
155
10000
Источник [1].
g
Сетевые интерфейсные платы [network interface card] представляют собой
дополнительные платы, устанавливаемые на материнскую плату ПЭВМ. К
сетевой плате подключаются сетевые кабели. Сетевая плата определяет тип
локальной сети.
Пример
На практике используют два типа локальных сетей - Ethernet и Token Ring.
Оба типа имеют модификации.
Таблица 4.2 Типы сетей Ethernet
Название
Физическая топология и кабель
Скорость
передачи
Мбит/с
10Base2
Шинная, тонкий коаксиальный
10
10BaseS
Шинная, толстый коаксиальный
10
Fast Ethernet
Звездообразная, витая пара
100
Gigabit
Ethernet
Звездообразная,
оптоволоконный
1000
Источник [1].
g
Модем [modem] – это устройство, предназначенное для связи между ЭВМ
по телефонным линиям. По телефонной сети любые данные могут передаваться
лишь в аналоговой форме. Данные от ЭВМ поступают в цифровом виде. Задача
модема заключается в преобразовании цифровых данных в аналоговую форму и
наоборот.
Сервер [server] – это любая сетевая ЭВМ, обслуживающая другие сетевые
ЭВМ. Существуют серверы различных типов, которые определяются типом
предоставляемых услуг.
Файловый сервер [file server] предоставляет другим ЭВМ (клиентам) доступ
к данным, которые хранятся во внешней памяти сервера. Таким образом, на
файловый сервер возложены все задачи по безопасности хранения данных,
поиску данных, архивированию и др. Внешняя память сервера становится
распределяемым ресурсом, так как её могут использовать несколько клиентов.
Сервер печати [printer server] организует совместное использование
принтера.
Коммуникационные серверы служат для связи локальной сети с внешним
миром, например, с глобальной сетью Internet. Для этого используются
модемные пулы, прокси-серверы и маршрутизаторы.
Модемный пул [modem pool] представляет собой ЭВМ, снабжённую особой
сетевой платой, к которой можно подключить несколько модемов. Таким
образом достигается определённая экономия, когда, например, десять ЭВМ
работают, используя три модема.
Прокси-сервер [proxy server] не только использует единственное
соединение с Internet, но и предоставляет свою память для хранения временных
файлов, что убыстряет работу с Internet.
Главной задачей маршрутизатора [router] является поиск кратчайшего пути,
по которому будет отправлено сообщение, адресованное некоторой ЭВМ в
глобальной сети. Маршрутизатор представляет собой либо специализированную
ЭВМ, либо обычную ЭВМ со специальным программным обеспечением.
Сервер приложений [application server] используется для выполнения
программ, которые по каким-то причинам нецелесообразно или невозможно
выполнить на других сетевых ЭВМ. Очевидной причиной может быть
недостаточная производительность клиентских ЭВМ. Другая причина –
использование каких-нибудь стандартных библиотек, копирование которых на
каждую клиентскую ЭВМ трудоёмко и, кроме того, создаёт возможность
несогласованности версии библиотеки. Многопользовательские операционные
системы (Linux, Windows NT) позволяют построить так называемую тонкую
клиентную сеть, в которой все ресурсы клиентов предоставлены сервером. Сами
клиентские ЭВМ не тратят ничего на обработку данных. Тогда ЭВМ
пользователей в такой сети называются терминалами, а сам сервер –
терминальным сервером. Такой сервер должен иметь большой объём основной и
внешней памяти и высокую производительность.


4.2 Глобальная сеть Internet
Общая характеристика глобальной сети Internet
В структуре глобальной сети можно выделить три уровня (см. рис. 4.8).
Первый – внутренний уровень составляет сеть передачи данных. Она
состоит из узлов связи. Каждый узел связи представляет собой совокупность
средств передачи данных и состоит из коммутационной ЭВМ и аппаратуры
передачи данных.
Рис. 4.5 Структура глобальной сети
Во второй уровень входят разнообразные серверы, называемые хост-ЭВМ
[host computer], которые выполняют в сети задачи по хранению и обработке
данных. Такими серверами могут быть, например, серверы различных локальных
сетей.
Третий уровень – терминальный – состоит из обычных клиентных рабочих
станций, которые пользуются услугами глобальной сети.
Каждая локальная сеть называется сайтом [site], а юридическое лицо,
обеспечивающее работу сайта – провайдером. Сайт состоит из группы серверов,
которая выполняет определённые задачи.
Основными характеристиками сети являются: время доставки сообщений,
производительность и стоимость обработки данных.
Время доставки сообщений определяется как статистическое среднее время
от момента передачи сообщения в сеть до момента получения сообщения
адресатом.
Производительность сети представляет собой суммарную
производительность серверов.
Стоимость обработки данных определяется как стоимостью средств,
используемых для обработки, так и временем доставки и производительностью
сети.
Тип сети и все её характеристики в основном определяются строением и
принципами работы сети передачи данных, которые описываются протоколом.
Протокол [protocol] – это система правил, определяющих формат и процедуры
передачи данных по сети. Можно сказать, что протокол представляет собой
язык, на котором «разговаривают» ЭВМ в сети. Протокол, в частности,
определяет, как будут идентифицироваться в сети хост-ЭВМ и как можно найти
их в сети, то есть определяются адресация и порядок маршрутизации.
Пример
Свойства глобальной сети Internet определяются так называемым IP-
протоколом.
g
Адресация и маршрутизация в сети Internet
Для организации связи между хост-ЭВМ необходима общесетевая система
адресации, которая устанавливает порядок именования абонентов сети передачи
данных. В IP-сетях, к которым относится сеть Internet, каждому физическому
объекту (хост-ЭВМ, серверы, подсети) присваивается число, называемое IP-
адресом, который обычно представляется в виде четырёх чисел от 0 до 255,
разделённых точкой, например, 192.171.153.60. Сами по себе эти числа не
имеют никакого значения. Адрес содержит в себе номер подсети и номер хост-
ЭВМ в данной сети.
Для удобства пользователей в Internet так же используется другой способ
адресации, который называется системой доменных имён [domain naming system
- DNS].
Пример
DNS-адрес имеет вид: win.smtp.dol.ru. В этом примере:
ru – домен страны, здесь означает все хост-ЭВМ России;
dol – домен провайдера, означает все ЭВМ локальной сети некоторой
формы;
smtp – домен группы почтовых серверов этой же фирмы.;
win – имя конкретной ЭВМ из группы smtp.
g
Особое значение имеют организационные и географические домены – те,
которые пишутся крайними справа в DNS-адресе. Имена для этих доменов
зарегистрированы международной организацией InterNIC (Internet Network
Information Center). Например, edu означает образовательную организацию, com
– коммерческую, gov – правительственную, us – США, uk –Великобританию, de –
Германию и т.д. DNS-адрес всегда действует совместно с IP-адресом.
При организации связи сеть должна по адресу получателя определить путь
передачи данных – маршрут. Для определения маршрута используются
различные алгоритмы маршрутизации [routing]. Эффективность алгоритма
маршрутизации существенно влияет на скорость передачи данных по сети.
Службы сети Internet
В сети Internet имеются многочисленные службы, предоставляющие
информационные услуги.
Одной из наиболее используемых служб является электронная почта [e-
mail]. Для обслуживания электронной почты в сети имеются специальные
почтовые серверы. Такой сервер выделяет своим клиентам определённый объём
внешней памяти (обычно 1-3 Мб) и назначает этой памяти некоторое имя –
адрес и пароль для доступа. Такая именованная память называется почтовым
ящиком [mailbox]. Все сообщения, адресованные данному клиенту, помещаются
в этот ящик и могут быть прочитаны, уничтожены или переправлены в другое
место клиентом, которому этот ящик принадлежит. Для отправления и
получения почты используются специальные почтовые программы. Адрес почты
– это DNS-адрес с добавлением имени абонента.
Пример
Существует множество почтовых серверов. Одним из известных серверов
является mail.ru. Адрес почты на этом сервере будет иметь вид:
                   ivanov@mail.ru
где ivanov – это имя абонента, а mail.ru – это DNS-адрес почтового
сервера.
Примером почтовой программы является Outlook Express для Windows98.
g
Другая широко используемая служба – FTP-служба [file transfer protocol].
Эта служба используется для удалённого доступа к файлам. FTP-сервер
представляет собой хранилище всевозможных файлов. Эти файла пользователь
может прочитать или скопировать на свою ЭВМ. DNS-адрес таких серверов
начинается с ftp, например, ftp.microsoft.com. Информация на FTP-серверах
организована в виде традиционных каталогов. Узлы FTP-службы используются
разработчиками программного обеспечения для его распространения.
Доступ к любым ресурсам сети Internet можно получить с помощью службы
World Wide Web просто Web. Очевидное отличие этой службы от FTP или
электронной почты заключается в том, что Web – это мультимедийная служба,
то есть она поддерживает не только текст, но и графику, анимацию, звук.
Web-сервер хранит данные в виде набора текстовых файлов, которые
написаны на специальном языке HTML [hypertext markup language]. Специальная
программа – броузер [browser] - интерпретирует HTML-текст и выводит на экран
монитора страницу, в которой сочетаются текст, графика, анимация и, самое
главное, ссылки на другие страницы. Таким образом, с помощью ссылок Web-
страницы пользователь имеет возможность переходить от одной страницы к
другой и более оперативно разыскивать нужную информацию.
Для поиска страниц, содержащих нужную информацию, используется
поисковая служба. Поисковые серверы используют специальные программы,
которые анализируют заголовки Web-страниц и содержащуюся в них
информацию. Результатом работы этих программ является список Web-страниц,
которые удовлетворяют критерию поиска.
Пример
Существует большое количество поисковых серверов: Alta Vista, Lycos,
Yahoo.
g


4.3 Архитектура вычислительного процесса
Архитектура приложения
Все компьютерные программы по логике их работы можно представить в
виде, показанном на рис. 4.6.
Рис. 4.6 Архитектура приложения
Интерфейс пользователя – это набор программ, которые обеспечивают
взаимодействие приложения с пользователем: графический интерфейс, система
сообщений об ошибках и т.д.
Прикладная программа – это ядро приложения, которое выполняет
основные функции данного приложения: перевод текста, математические
расчёты и т.д.
Под логикой данных понимается набор программ, которые определяют
порядок доступа к данным, контролируют целостность данных в соответствии с
бизнес-правилами и допустимость данных. Эти программы обычно
предоставляются используемой при разработке приложения СУБД.
Под доступом к данным понимается набор программ, которые
обеспечивают запись и чтение данных с внешней памяти. Такие программы
также обычно реализованы средствами СУБД.
Перечисленные составные части приложения относительно независимы
друг от друга. Связь между ними исчерпывается только передачей данных.
Такую передачу данных можно организовать по сети. Также функционирование
частей приложения можно обеспечить на разных ЭВМ, соединённых в сети. Это
даёт возможность различным образом организовать выполнение приложения.
Архитектура вычислительного процесса характеризует как построение
аппаратного обеспечения (ЭВМ и сети), так и способ функционирования
приложений.
Различают четыре способа организации вычислительного процесса:
?        централизованная архитектура;
?        распределённая архитектура;
?        архитектура клиент-сервер;
?        многозвенная архитектура.
Централизованная архитектура
Классическое представление централизованной архитектуры показано на
рис. 4.7.
Центральная ЭВМ должна иметь большую память и высокую
производительность, чтобы обеспечивать комфортную работу большого числа
пользователей.
Рис. 4.7 Централизованная архитектура вычислительной системы
Все приложения, работающие в такой архитектуре, полностью находятся в
основной памяти хост-ЭВМ. Терминалы являются лишь устройствами ввода-
вывода и таким образом в минимальной степени поддерживают интерфейс
пользователя рис 4.8.
Рис. 4.8 Архитектура централизованного приложения
Такая архитектура вычислительных систем была распространена в 70-х и
80-х годах и реализовывалась на базе мейнфреймов (например, IBM-360/370 или
их отечественных аналогов серии ЕС ЭВМ), либо на базе мини-ЭВМ (например,
PDP-11 или их отечественного аналога СМ-4). Характерная особенность такой
архитектуры – полная «неинтеллектуальность» терминалов. Их работой
управляет хост-ЭВМ. Достоинства такой архитектуры состоят в том, что
пользователи совместно используют дорогие ресурсы ЭВМ и дорогие
периферийные устройства. Кроме того, централизация ресурсов и оборудования
облегчает обслуживание и эксплуатацию вычислительной системы. Главным
недостатком для пользователя является то, что он полностью зависит от
администратора хост-ЭВМ. Пользователь не может настроить рабочую среду под
свои потребности – всё используемое программное обеспечение является
коллективным. Использование такой архитектуры является оправданным, если
хост-ЭВМ очень дорогая, например, супер-ЭВМ.
Распределённая архитектура
Основой распределённой архитектуры является файл-сервер. Он
предоставляет клиентам (т.е. программам на ПЭВМ) свою дисковую память, то
есть обеспечивает доступ к данным. Каждый клиент пользуется для работы
своими ресурсами, поэтому требования к производительности файл-сервера
невысоки. Основными требования будут предъявляться к файловой системе
файл-сервера.
Рис. 4.9 Распределённая архитектура вычислительной системы
Как видно из рис. 4.10, основная обработка данных происходит на
клиентных ЭВМ, то есть клиенты в отличие от терминалов должны обладать
некоторыми ресурсами, поэтому их называют «толстыми» клиентами.
Распределённая архитектура лишена недостатков централизованной
архитектуры, к тому же дорогие периферийные устройства (принтеры, RAID-
массивы) в такой архитектуре также могут использоваться совместно.
Основным недостатком распределённой архитектуры является то, что вся
обработка данных сосредоточена внутри нескольких независимых
пользовательских приложений.
Пример
Одной из важных задач по обработке данных является поиск информации.
Пусть необходимо найти 5 записей некоторой таблицы, содержащей миллион
таких записей. Поскольку вся обработка данных сосредоточена на некоторой
клиентной ЭВМ, то для поиска файл-сервер должен передать клиенту всю
таблицу целиком. То есть резко возрастает нагрузка на сеть.
g
Рис. 4.10 Архитектура распределённого приложения
Если число пользователей не слишком велико и объём общих данных также
невелик, то распределённая архитектура является наилучшим выбором.
Архитектура клиент-сервер
Вычислительная система, соответствующая архитектуре клиент-сервер
состоит из трёх компонентов:
?        сервера баз данных, управляющего хранением данных, доступом и
защитой, резервным копированием, отслеживающего целостность данных в
соответствии с бизнес-правилами и, самое главное, выполняющего запросы
клиента;
?        клиента, предоставляющего интерфейс пользователя, проверяющего
допустимость данных, посылающего запросы к серверу;
?        сети и коммуникационного оборудования.
Ядром архитектуры клиент-сервер является сервер баз данных. Поскольку
многие задачи, связанные с обработкой данных возложены на сервер, то
нагрузка на сеть –трафик – резко снижается по сравнению с распределённой
архитектурой.
Пример
Пусть необходимо найти 5 записей некоторой таблицы, содержащей
миллион таких записей. Клиент посылает серверу запрос, в котором указано,
какие данные должны быть найдены. Этот запрос обрабатывается сервером,
сервер производит поиск и пересылает клиенту необходимые пять записей.
g
Другое преимущество архитектуры клиент-сервер перед распределённой
состоит в том, что на сервере можно сосредоточить программы,
обеспечивающие целостность данных, соответствие данных бизнес-правилам,
что позволяет избежать дублирования программного кода в различных
приложениях, использующих общую базу данных.
Рис. 4.11 Архитектура приложения типа клиент-сервер
В случае архитектуры клиент-сервер сервер баз данных должен обладать
высокой производительностью.
В настоящее время все современные прикладные программы ориентированы
на работу с такой архитектурой вычислительного процесса.
Многозвенная архитектура
В случае большого числа пользователей возникают проблемы
своевременной и синхронной замены версий клиентских приложений на рабочих
станциях. Такие проблемы решаются в рамках многозвенной архитектуры. Часть
общих приложений переносится на специально выделенный сервер приложений.
Тем самым понижаются требования к ресурсам рабочих станций, которые будут
называться «тонкими» клиентами. Данный способ организации вычислительного
процесса является разновидностью архитектуры клиент-сервер.
Рис. 4.12 Многозвенная архитектура
Использование многозвенной архитектуры может быть рекомендовано
также в случае, если некоторая программа требует для своей работы много
ресурсов, то может оказаться дешевле построить тонкую сеть с одним очень
мощным сервером, чем использовать несколько мощных клиентных рабочих
станций. Особенно это имеет значение, если данной программой пользуются не
постоянно, а время от времени.
Рис. 4.13 Архитектура многозвенного приложения
Разумное сочетание производительности сервера приложений и
производительности рабочих станций позволят построить сеть, более дешёвую
при установке и эксплуатации.



Вопросы к теме 4
1.       В чем различие между локальными и глобальными сетями.
2.       Что понимается под архитектурой локальной сети.
3.       В чём разница между рабочей станцией и сервером.
4.       Что понимается под топологией локальной сети.
5.       Что представляет собой глобальная сеть Internet.
6.       Что понимается под архитектурой вычислительного процесса. Каковы
достоинства и недостатки различных архитектур.



Использованная литература
1.       Андерсон К. Минаси М. Локальные сети. Полное руководство: К.: ВЕК+,
М.: ЭНТРОП, СПб.: КОРОНА принт, 1999. – 624 с.
2.       Богумирский Б.С. Руководство пользователя ПЭВМ: В 2-х ч. – СПб.:
Ассоциация OILCO, 1992. – 357 с.
3.       Головкин Б.А. Параллельные вычислительные системы. М.: Наука, 1980.
– 520 с.
4.       Елманова .З. Borland C++ Builder 3.0. Архитектура «клиент/сервер»,
многозвенные системы и Internet-приложения. – М.: Диалог-МИФИ,
1999. – 240 с.
5.       Касаткин А.И., Вальвачев А.Н. Профессиональное программирование на
языке Си: От Turbo C к Borland С++: Мн.: Выш.шк., 1992. –240 с.
6.       Косарев В.П. Ерёмин Л.В. Компьютерные системы и сети. - М.: Финансы и
статистика, 1999. – 464 с.
7.       Кручинин С. Архитектура компьютера. Hard и Soft №4 1995.
8.       Мельников Д.А. Информационные процессы в современных сетях.
Протоколы, стандарты, интерфейсы, модели. – М.: КУДИЦ-ОБРАЗ, 1999.
–256 с.
9.       Першиков и др. Русско-английский толковый словарь по информатике. –
М.: Финансы и статистика, 1999. – 386 с.
10.     Экономическая информатика и вычислительная техника: Учебник/ Под
ред. В.П. Косарева. – М.: Финансы и статистика, 1996. – 336 с.


Содержание
Введение      2
Список используемых сокращений       3
Тема 1. Организация информации       4
1.1 Представление и обработка информации 4
Информатика и информационные технологии         4
Информация и данные     4
Представление и обработка данных    4
1.2 Внутреннее представление данных 6
Двоичная форма целых чисел. Количество информации   6
Цифровое представление символов     7
Цифровое представление вещественных чисел        8
Цифровое представление изображений         10
Цифровое представление звука 11
Сжатие данных      12
1.3 Внешнее представление данных     14
Файлы и каталоги  14
Модели и базы данных     14
1.4 Обработка данных     16
Понятие программы         16
Понятие алгоритма и алгоритмического языка        16
Программирование и языки программирования       17
Вопросы к теме 1   19
Тема 2. Техническое обеспечение       20
2.1 Общие сведения        20
Поколения ЭВМ      20
Классификация ЭВМ         20
Архитектура ЭВМ   21
Производительность ЭВМ 23
2.2 Аппаратные компоненты персональных ЭВМ     25
Структура ПЭВМ    25
Системная шина     25
Центральный процессор  26
Внешняя и внутренняя память    28
Внешние устройства        28
Внешние запоминающие устройства    29
Внешние устройства ввода-вывода      29
Видеосистемы        30
Вопросы к теме 2   32
Тема 3. Программное обеспечение      33
3.1 Общие сведения        33
Классификация программных средств  33
Иерархия программных средств 34
3.2 Операционные системы       36
Общая характеристика    36
Пользовательский и программный интерфейсы       36
Процессорное время и организация памяти   37
Структура операционной системы       37
Файловая система  38
Защита информации        39
Сетевые средства и распределённые системы          39
Модель «клиент-сервер»  39
Технология
«plug and play».      41
Сервисные системы          41
Инструментальные системы       42
Вопросы к теме 3   44
Тема 4. Вычислительные сети    45
Понятие вычислительной сети   45
4.1 Локальные вычислительные сети   45
Архитектура локальной сети     45
Аппаратные компоненты локальной сети      47
4.2 Глобальная сеть Internet      50
Общая характеристика глобальной сети Internet     50
Адресация и маршрутизация в сети Internet   51
Службы сети Internet       51
4.3 Архитектура вычислительного процесса  53
Архитектура приложения 53
Централизованная архитектура 53
Распределённая архитектура     54
Архитектура клиент-сервер       55
Многозвенная архитектура        56
Вопросы к теме 4   57
Использованная литература      58
Содержание 59



Платов А.Ю. Введение в информатику