Лекция 9. Алгоритм и его свойства

Сущность задачи программирования — записать что-то на чужом, малознакомом языке (мы здесь не ведем речь о профессионалах-программистах, для которых язык програм­мирования ближе, чем родной). Т. е. задача, прямо скажем, не новая! Человечество тысячи лет ее решает весьма ус­пешно.

При решении задачи на ЭВМ сначала сле­дует описать процесс решения на родном для программиста языке, например в виде схемы алгоритма, «отшлифовать» его и только после этого перевести на язык ЭВМ — БЕЙСИК, ПАСКАЛЬ и др.

Выделяют несколько этапов решения задачи (создания алгоритмов).

Первый этап – это поиск метода решения. Часто главная трудность — из нескольких ме­тодов выбрать такой, который в наибольшей степени от­вечал бы некоторым требованиям, например, минималь­ная трудоемкость, максимальная эффективность и т. д.

Второй этап значительно сложнее и состоит в выполнении определенных правил, а именно:

— выделить величины, являющиеся исходными для задачи;

— разбить процесс решения задачи на такие этапы, которые известны исполнителю и которые он мо­жет выполнить однозначно без всяких пояснений;

— указать порядок выполнения этапов;

— указать признак окончания процесса решения за­дачи;

— указать во всех случаях, что является результатом решения задачи.

Описание метода, выполненное в соответствии с эти­ми правилами, называется алгоритмом решения задачи.

Итак, мы подошли к центральному понятию информатики — алгоритму. Оно, как говорится, красной нитью (а точнее, красным канатом) проходит через весь курс. Бо­лее строго это понятие можно определить так:

Алго­ритм — это метод (способ) решения задачи, записанный по определенным правилам, обеспечивающим одно­значность его понимания и механического исполнения при всех значениях исходных данных (из некоторого множества значений).

В Толковом словаре по информатике (1991 г.) дано общепринятое определение этого понятия: алго­ритм — точное предписание, определяющее вычисли­тельный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату.

Примером алгоритма может служить кулинарный рецепт приготовления блюда.

Рассмотрим простейший алгоритм — алгоритм завар­ки чая:

1. Подготовить исходные величины — чай, воду, чай­ник, стакан, ложку.

2. Налить в чайник воду.

3. Довести воду до кипения и снять с огня.

4. Всыпать в чайник чай.

5. Довести воду до кипения (но не кипятить), снять с огня.

6. Чай готов. Процесс прекратить.

Для углубления понятия алгоритма выделим и рас­кроем его основные свойства, вытекающие из его опре­деления.

Существует значительное число подобных языков — БЕЙСИК, ФОРТРАН, ПЛ/1, ПАСКАЛЬ и др. Они назы­ваются языками программирования. Запись алгоритма на таком языке называется программой, а процесс пере­вода алгоритма на указанный язык — программирова­нием.

Алгоритмический процесс — процесс последовательного преобра­зования конструктивных объектов (слов, чисел, пар слов, пар чисел, предложений и т.п.)., происходящий дискретными «шагами». Каждый шаг состоит в смене одного конструктивного объекта другим.

Выводы.

1. Процесс решения задач на ЭВМ предполагает выполнение следующих основных этапов: формулировка задачи, выбор метода решения задачи, составление алгоритма, составление програм­мы, решение задачи на ЭВМ по заданной программе. Исходя из этого, основные понятия указанного про­цесса: «метод» — «алгоритм» — «программа».

2. Рассмотренная трактовка понятия «алгоритм» показывает, что алгоритм— это не что-то отвле­ченное, абстрактное и присущее лишь процессу использования ЭВМ, а неотъемлемая часть по­вседневной жизни. В частности, любые инструк­ции, любые распоряжения руководства должны быть сформулированы в виде алгоритма, чтобы они были однозначно поняты подчиненными. Причем правила формирования распоряжений-ал­горитмов, инструкций-алгоритмов те же, что и для алгоритмов решения задач на ЭВМ. В этом отношении предмет «Основы информатики» занимает особое положение в ряду прочих предметов, так как он учит составлять алгоритмы, что очень важно в жизни, а не только применительно к ЭВМ.

Свойства алгоритмов.

1. Дискретность алгоритма. Свойство алгоритма, озна­чающее, что процесс решения задачи, определяемый алгоритмом, расчленен на отдельные элементарные действия (шаги) и, соответственно, алгоритм представ­ляет последовательность указаний, команд, определя­ющих порядок выполнения шагов процесса.

2. Определенность алгоритма. Это свойство означает, что каждая команда алгоритма (предписание,.выдава­емое на каждом шаге) должна быть понятна исполни­телю, не оставлять места для ее неоднозначного тол­кования и неопределенного исполнения. Описание ал­горитма должно быть таким, чтобы его мог выпол­нить любой грамотный пользователь.

3. Результативность алгоритма. Свойство алгоритма, состоящее в том, что он всегда приводит к результату через конечное, возможно, очень большое число ша­гов.

4. Массовость алгоритма. Это свойство заключается в том, что каждый алгоритм, разработанный для реше­ния некоторой задачи, должен быть применим для ре­шения задач этого типа при всех допустимых значе­ниях исходных данных.

Возможности ЭВМ. Как отмечалось, при составлении алгоритма процесс решения задачи разбивают на этапы, ориентируясь на исполнителя, на операции, известные ему.

Переменные числовые величи­ны могут в процессе решения задач принимать разные значения. В записи алгоритма они обозначаются буква­ми, как в математике, или словами: X, У, МАХ, РЕ­ЗУЛЬТАТ.

В ЭВМ для любой величины выделяется ячей­ка памяти. Если это числовая величина, то в ней хра­нится число, изображающее значение этой величины.

Текстовые величины могут быть переменными и пос­тоянными. Текстовые константы — "ХОРОШО", "ВАСЯ", "У=2Х(А+.В)" и т. д., т. е. это любой текст в кавычках. Такие тексты обычно используются для пояс­нения результатов вычислений, выдаваемых ЭВМ.

Тек­стовые переменные, как и числовые, обозначаются бук­вами или словами. В этом случае в ячейку памяти, выде­ленную для переменной, помещается не число, а некото­рый текст. Например, если ДРУГ — текстовая перемен­ная, то в ячейку, выделенную для нее, в один момент времени можно записать текст "ВАСЯ", в другой мо­мент — "ТАНЯ" и т. д. Эти тексты и будут значениями переменной ДРУГ в разные моменты времени.

Массивы.Часто в технике, науке и жизни используются не отдельные числа и величины, а множества связанных однородных величин. Так, дата — это совокупность трех чисел, например 19. 10. 88.

Массивом называется упорядоченная совокупность однородных величин, обоз­наченных каждая одним и тем же именем с различными целочисленными индексами, изменяющимися по поряд­ку. Индекс (индексы) определяет(ют) положение элемента в массиве.

Каждому массиву, обычно, присваивается имя, что дает возможность различать массивы между собой и об­ращаться к ним по именам.

Различают разные виды массивов в зависимости от их внутреннего строения, взаимного расположения эле­ментов. Так, элементы массива могут располагаться стро­го последовательно, например {3, 4, 2, 8}. Такие массивы называются одномерными.

Каждый подобный массив определяется именем и числом элементов и обозначается:

Т(1: n), где Т — имя массива; n — число элементов массива, на­пример А(1:4).

ЭВМ может выпол­нять следующие операции над величинами:

1. Считывать конкретные значения ис­ходных величин с различных устройств ввода, например с дисплея, и помещать каждое из них в ячейку, выде­ленную для соответствующей переменной.

2. Вычислять значения величины по заданной формуле, содержащей любые арифметические операции, ряд элементарных функций.

3. печатать на бумаге или выводить на экран дисплея значения величин или любой текст. Эта операция называется «Вывод» или «Печать» и записы­вается, например, так:

Вывод X, Y, Z, "конец вычислений".

Данная операция, в частности, позволяет выводить из ЭВМ результаты решения задачи и пояснения к ним.

4. Переходить от одного этапа решения задачи к любому другому. Операция называется «Пере­ход». В ней указывается номер этапа, к которому нужно перейти. Например: Перейти к п. 6.

5. Сравнивать значения двух арифмети­ческих выражений (или двух текстовых величин) на предмет проверки условий: <, >, = и т. д. и в зависи­мости от результатов проверки выбирать один из двух возможных вариантов дальнейших действий. Записыва­ется это, например, так:

Если X>Y, то У:=Х2,

иначе У:=Х.

Подобную операцию называют Условный переход (Ветвление).

Способы описания алгоритмов.

В настоящее время используется несколько та­ких способов:

1. Словесно-формульное описание алгоритма, т. е. описание алгоритма с помощью слов и формул. Это на­иболее простой способ. Для его понимания достаточно рассмотреть пример, приведенный ниже. Кстати, кули­нарный рецепт — пример такого описания алгоритма.

2. Графическое описание алгоритма, т. е. описание с помощью схем алгоритмов. Схема алгоритма представ­ляет собой систему связанных геометрических фигур. Каждая фигура обозначает один этап процесса решения задачи и называется блоком. Порядок выполнения эта­пов указывается стрелками, соединяющими блоки. В схеме блоки стараются размещать сверху вниз, в поряд­ке их выполнения. Для наглядности операции разного вида изображаются в схеме различными геометрически­ми фигурами.

Операция присваивания изображается прямоугольни­ком, например:

Операции Ввод и Вывод изображаются параллело­граммом, например:

Каждый из трех указанных блоков имеет один вход и один выход.

Операция Условный переход изображается ромбом;

блок имеет два выхода —Да и Нет, например:

Если условие выполняется — выходим из блока по выходу Да, если не выполняется — по выходу Нет.

Начало процесса решения задачи обозначается бло­ком Начало.

Завершение процесса решения задачи обозначается блоком Останов.

Последние два блока изображаются так:

3. Описание алгоритма на ал­горитмическом языке (алгоязыке). Алгоритмический язык — это средство для записи алгорит­мов в аналитическом виде, про­межуточном между записью ал­горитма на естественном (чело­веческом) языке и записью на языке ЭВМ (языке программиро­вания).

Пример:

Составить алгоритм начисления заработной платы согласно следующему правилу.

Если стаж работы сотрудника меньше 5 лет, то зарплата 130 руб., при стаже работы от 5 до 15 лет – 180 руб, при стаже свыше 15 лет зарплата повышается с каждым годом на 10руб.

Рисунок 16 –Блок – схема.

Виды алгоритмов и основные принципы составления алгоритмов.

Человеку в жизни и практической деятельности при­ходится решать множество различных задач. Решение каждой из них описывается алгоритмом, и разно­образие этих алгоритмов очень велико. Тем не менее можно выделить лишь три основных вида алгоритмов:

— линейной структуры,

— разветвляющейся структуры

— цик­лической структуры (для краткости далее будем назы­вать их просто: линейные, разветвляющиеся и цикли­ческие алгоритмы).

Разнообразие же алгоритмов определяется тем, что любой алгоритм распадается на части, фрагменты и каж­дый фрагмент представляет собой алгоритм одного из трех указанных видов. Поэтому важно знать структуру каждого из алгоритмов и принципы их составления.

Можно сформулировать общие правила построения схемы алгоритма задачи:

1. Выявить исходные данные, результаты, назна­чить им имена.

2. Выбрать метод (порядок) решения задачи.

3. Разбить метод решения задачи на этапы (с учетом возможностей ЭВМ).

4. Изобразить каждый этап в виде соответству­ющего блока схемы алгоритма и указать стрел­ками порядок их выполнения.

5. В полученной схеме при любом варианте вы­числений:

а) предусмотреть выдачу результатов или сообщений об их отсутствии;

б) обеспечить возможность после выполнения любой опера­ции так или иначе перейти к блоку Останов (к выходу схемы).

Эти правила и есть «Основные принципы алгоритми­зации

Линейные алгоритмы.

Линейным называется алгоритм, в котором все эта­пы решения задачи выполняются строго последовательно.

Разветвляющиеся алгоритмы

Разветвляющимся называется такой алгоритм, в котором выбирается один из нескольких возможных путей (вариантов) вычислительного процесса. Каждый подобный путь называется ветвью алгоритма.

Признаком разветвляюще­гося алгоритма является наличие операций проверки условия. Обычно различают два вида условий — простые и составные.

Простым условием (отношением) называется выражение, составленное из двух арифметических выражений или двух текстовых величин, связанных одним из знаков:

> < =

Например: да нет

Циклические алгоритмы.

Циклическим называют алгоритм, в котором получение результата обеспечивается многократным выполнением одних и тех же операций.

Рисунок 17 - Циклические алгоритмы.

Пример: Вычислить значение функции при х=2, 4, 6

Порядок решения задачи:

Х:=2

вывод Y.

Х:=2+2

вывод Y.

Х:=x+2

вывод Y.

Х:=x+2

Останов

Лекция 10. Основы вычислительной техники

1 Краткая историческая справка о развитии вычислительной техники.

Компьютеры или электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились более сорока лет назад. Первый компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) был спроектирован Джоном. Мокли и Претти Эккертом в 1945 г. в Пенсильванском университете, США. Компьютер ENIAC первоначально предназначался для проведения баллистических расчетов в период второй мировой войны, однако его работы над ним былы завершены после войны. Вплоть до начала 50-х годов она активно использовалась для научных расчетов. В Европе первый компьютер был создан в 1947 г. в Великобритании. В Советском Союзе первая ЭВМ МЭСМ (малая электронная счетная машина) была создана в 1946-48 г.г. коллективом ученых, возглавляемых академиком Сергеем Алексеевичем Лебедевым в Киеве в местечке Феофания. "Таким образом, это почти одновременные события. Причем, дата условная, на самом деле первые шаги в России были сделаны раньше.

2. Классификация компьютеров по элементной базе.

Существует множество классификаций компьютеров, а самой распространенной является классификация по элементной базе. Именно изменения в элементной базе влекут изменение наиболее критической характеристики компьютеров - их быстродействия, т.е. количество операций в секундах, которые выполняет компьютер. Ввиду этого в нижеследующем тексте не оговаривается отдельно, что при переходе от поколения к поколению неуклонно происходит рост на порядки быстродействия компьютеров.

Первые компьютеры, относящиеся к компьютерам первого поколения, выполнялись на электронных вакуумных лампах. Основные недостатки машин первого поколения обусловливались большим потреблением энергии, чрезмерной громоздкости, незначительном объеме оперативной памяти, низкой надежности, слабо развитое программное обеспечение и, в частности, операционных систем и систем программирования, Вследствие этого использование машинных ресурсов было малоэффективным. Программы писались в так называемых машинных кодах и отлаживалась за ее пультом и большую часть времени машина простаивала в ожидании команд.

Компьютеры второго поколения появились в конце 50-х годов. Их элементной базой являлись транзисторы. Это позволило увеличить плотность монтажа электронной аппаратуры, снизить потребляемую электроэнергию, повысить надежность и увеличить срок службы машин. Программное обеспечение компьютеров второго поколения включает в свой состав ряд трансляторов с алгоритмических языков высокого уровня (Алгол, Фортран и др.), пакеты стандартных программ, различные сервисные программы. Задания для ЭВМ формируются на внешних носителях, например, перфокартах и собираются в пакеты для более эффективного использования машинных ресурсов. Примерами таких отечественных ЭВМ являются "Минск-3 2 ", НАИРИ, МИР, БЭСМ-6. Типичным примером зарубежной ЭВМ второго поколения является IBM-7090.

Компьютеры третьего поколения (конец 60-х - начало 70-х годов) выполнялись на интегральных полупроводниковых схемах, имеют развитое программное обеспечение, широкий спектр периферийных устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители и т.д.). Радикально меняется принцип использования машинных ресурсов, так называемый режим разделения времени или мультипрограммный режим работы. В основе этого принципа лежит идея квантования времени для обслуживания пользователей, одновременно использующих машину, что позволяет эффективно использовать имеющиеся ресурсы, создавая иллюзию у каждого конкретного пользователя, что он является единственным. Появляется понятие семейства программно-совместимых компьютеров, что обеспечивает возможность переноса на новые модели программного обеспечения созданного для старых членов этого семейства компьютеров. В компьютерах третьего поколения произошло перераспределение функций между программной и аппаратной частями, т.е. многие функции, которые в компьютерах третьего поколения могли быть реализованы лишь программным путем, в компьютерах третьего поколения возложены на аппаратуру. Первым компьютером третьего поколения был компьютер IBM/360. Они явились прообразом компьютеров третьего поколения, выпущенных позднее в ряде стран. В СССР была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) имеющая архитектура сходную с IBM/360- IBM/370.

Компьютеры четвертого поколения (конец 70-х - начало 80-х г.г.) проектировались на больших интегральных схемах (БИС). В результате возросшего быстродействия стало возможным стереть разницу между основной и внешней память и реализовать концепцию одноуровневой или виртуальной памяти. Согласно этой концепции, введенной в начале 60-х годов на компьютере университета Манчестере Atlas, внешняя память может расширять основную на основе страничного обмена данными между ними. Концепция одноуровневой памяти оказала основополагающее влияние на конструирование компьютеров четвертого поколения. Наиболее крупным достижением, связанных с применением стало создание микропроцессоров и ненужность специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания для эксплуатации компьютеров.

С созданием персонального компьютера в 80-х годах компьютер перестал быть элитарным орудием труда, требующим высокой квалификации от тех, кто его использует. Компьютер во все большей степени стал обретать черты бытовой техники, что потребовало от каждого человека умения с ним работать. Компьютер стал рассматриваться как инструмент конечного пользователя, а компьютерная грамотность – как вторая грамотность.

С 1999 года начал действовать международный сертификационный стандарт спецификация PC99. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

- Consumer PC (массовый ПК);

- Office PC (деловой ПК);

- Mobile PC (портативный ПК);

- Workstation PC (рабочая станция);

- Entertainment PC (развлекательный PC).

Согласно спецификации PС99 большинство персональных компьютеров, присутствующих сейчас на рынке попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств связи для удаленного доступа. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК - к средствам воспроизведения графики и звука.

Современный этап развития общества характеризуется тем, что важнейшим производственным ресурсом становится информация. Все большее количество информации обрабатывается с применением компьютерной техники. Компьютер позволяет аккумулировать и связывать различные знания, то есть является инструментом. Компьютер рожден на стыке разных предметных областей, на их стыке он и используется. Этим и определяется место компьютера в эволюционном процессе.

3. Компоненты компьютера.

Управление компьютером осуществляется по заранее подготовленной программе, представляющей собой последовательность инструкций, команд, расположенный линейно друг за другом в основной памяти. Программа выполняется покомандно, в порядке их записи.

Современный персональный компьютер включает следующие компоненты:

- центральный процессор (ЦП) (CPU - Central Process Unit), являющийся логическим устройством для принятия решений и выполнения арифметических действий (например Cyrix MII 400 NHz c MMX);

- внутренняя память, включающая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (ROM – Read Only Memory) и основная (оперативная, RAM - Random Access Memory) память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

- внешняя память;

- периферийные устройства, с помощью которых компьютер принимает и передает информацию. По назначению периферийные устройства можно разделить на:

- устройства ввода данных;

- устройства вывода данных;

- устройства хранения данных;

- устройства обмена информацией.

- Процессор.

Процессор - функциональная часть компьютера, выполненная на микросхеме и предназначенная для выполнения основных операций по обработке данных и управлению работой других устройств. Основными параметрами процессоров являются: разрядность, тактовая частота и размер кэш-памяти.

Микропроцессор - это микросхема, которая производит все операции ПЭВМ, осуществляет управление всеми системами и элементами персональной ЭВМ, т.е. является главным элементом компьютера. Не случайно тип ПЭВМ определяется типом его процессора. Если мы говорим: "486 ПЭВМ", мы имеем в виду, что это персональная ЭВМ с 486-м процессором.

Разрядность. Персональная ЭВМ может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Наименьшую единицу информации называют двоичным разрядом. Один разряд в мире ПЭВМ называется бит (по-английски bit - кусочек). Если ПЭВМ за один раз может обработать 8 разрядов информации, то процессор 8-разрядный, если - 32 разряда, то процессор 32-разрядный и т.д. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за одни раз (один такт). Первые процессоры персональных компьютеров были 8-разрядными, а современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными.

Тактовая частота. Частота - это количество колебаний в секунду. Тактовая частота-это количество тактов в секунду. Т.е. чем больше тактов или действий в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает.

На рынке производства микропроцессоров ведущее место занимают фирмы: Intel, Dec- процессоры Alpha 21164 c тактовой частотой 500МГц (Мегагерц).В основе работы процессора лежит такой же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые импульсы в механических часах задает пружинный маятник, а в компьютере - микросхема. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры персональных компьютеров могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а современные процессоры работают с частотой превосходящей 500 МГц, т.е. 500 миллионов тактов в секунду.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с основной памятью. Для того, чтобы уменьшить количество обращения к основной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в основную память. Принимая данные и основной памяти, процессор заносит его одновременно в кэш память. "Удачные" обращения в кэш-память называет попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтом высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом памяти.

Конструктивно П.К. выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: клавиатура, принтер, дисплей и др.

Системный блок компьютера содержит элементы:

- Системную плату (материнскую плату).

- Дисководы.

- Жесткий диск.

- Блок питания.

- Порты ввода-вывода.

Основным элементом является материнская плата.

На системной плате располагаются следующие элементы:

- микропроцессор;

- сопроцессор (компьютер может работать и без него);

- платы оперативной памяти;

- микросхемы быстрой памяти (КЭШ);

- микросхема базовой системы ввода-вывода (BIOS);

- контролеры (платы расширения), управляющие различными устройствами (дисководами, монитором, мышкой, клавиатурой и т.д.).

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений, желательно, чтобы математические операции поддерживались аппаратно. Но, микропроцессоры типа Intel 8088, 80286, 80386, 80486SX не обеспечивают такую поддержку, поэтому к ним для этого требуется добавить математический сопроцессор, который помогает основному микропроцессору выполнять математические операции.

Системна шина.

Системна шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя:

- Кодовую шину данных- содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода.

- Кодовая шина адреса - содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода- вывода внешнего устройства.

- Кодовая шина инструкций - содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих символов, импульсов) во все блоки машины.

- Шина питания - содержит провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

- Между микропроцессором и основной памятью.

- Между микропроцессором и портами ввода- вывода внешних устройств

- Между основной памятью и портами ввода- вывода внешних устройств.

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо контроллером шины, формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII- кодов.

ПЗУ, ОЗУ, FLASH – память.

В системном блоке системная плата (материнская) служит для размещения основных компонентов памяти. ПЗУ, ОЗУ, FLASH – память- входят в эти компоненты.

Основная память компьютера содержит оперативное и постоянное запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройства предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующих в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. Служит для временного хранения хранения этих данных После отключения питания ЭВМ информация в ОЗУ не сохраняется- это энергозависимая память. Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеры), где запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов.

Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных микросхем типа: SIMM и DIMM, их контактные разъемы соответствуют разъемам на материнской плате компьютера (ёмкость модуля может быть 1, 4, 4, 16, 32 Мбайта). На материнскую плату можно устанавливать несколько модулей. В основной или оперативной памяти хранятся исполняемые программы и обрабатываемые данные. Содержимое основной памяти теряется при отключении питания, перезагрузки операционной системы. Вследствие этого возникает необходимость в средствах длительного хранения информации. В современных компьютерах чаще всего для длительного хранения информации использует магнитные диски различных типов и емкости. Содержимое внешней памяти может быть перенесено в основную память для выполнения конкретного задания. Когда одно задание выполнено, основная память может быть загружена новой порцией информации.

Постоянное запоминающее устройство также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера (BIOS), управление периферийными устройствами и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ осуществляется только в лабораторных условиях. ПЗУ – энергонезависимое запоминающее устройство.

Ёмкость ПЗУ на один –два порядка меньше ёмкости ОЗУ. Постоянное запоминающее устройство (ROM) – энергонезависимое запоминающее устройство, реализованное в виде микросхемы и используемое для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения: содержимое памяти "зашивается" в устройство при его изготовлении для постоянного хранения. Из ROM можно только считывать данные, однако, выборка информации из ячеек может осуществляться в любом порядке. Программы и данные хранящиеся в ROM предназначены для постоянного использования процессором.

Кэш –память (регистровая)- высокоскоростная память сравнительно большой ёмкости. Она используется для ускорения работы процессора с оперативной памятью.

Рассмотрим эту связь:

Когда процессор записывает в основную память в байт. Этот байт и его адрес заносится одновременно и в кэш-память. Всякий раз, когда процессор намерен прочитать некоторый байт, сначала проводится анализ: есть ли байт с этим адресом в быстрой кэш –памяти. Если он там есть, то происходит чтение из кэш-памяти, если нет, то байт копируется из основной памяти в кэш –память и одновременно передается процессору. Применение кэш- памяти повышает производительность компьютера в несколько раз. Информация в кэш-память записывается аппаратными средствами автоматически. (Для Pentium обычно кэш-память 256 Кбайт).

BIOS-представляет собой программу – первую из программ, с которой начинает работать ваш компьютер непосредственно после его включения.

Расшифровка аббревиатуры - Basic Input – Output System- Базовая Система Ввода-Вывода. Точнее - система контроля и управления подключенными к компьютеру устройствами.

Находится в постоянной памяти, которая входит в комплект поставки персонального компьютера. Операционная система может изменяться на компьютере, а BIOS остаётся постоянным.

Поэтому BIOS, являясь неизменной частью персонального компьютера, с одной стороны, может рассматриваться как компонент аппаратной части, а с другой стороны, как компонент любой операционной системы.

BIOS- это первый и самый важный из мостиков связывающий между собой “аппаратную” и “программную” часть компьютера. Случилась неполадка и компьютер даже не загрузится.

В BIOS заложены основные параметры, необходимые компьютеру для того, чтобы правильно распознать такие устройства, как жесткий диск, на котором хранится вся информация, оперативная память- сколько её, какого она типа. Также в BIOS хранятся часы и календарь реального времени (не останавливаются даже после отключения компьютера).

BIOS находится не на жестком диске, а на материнской плате в виде отдельной микросхемы с автономным питанием от специальной круглой батарейки- как на часах.

Основные функции - управление стандартными внешними устройствами, входящими в комплект персонального компьютера конкретной модели т.е. дисплеем, клавиатурой, дисководами, принтером, таймером.

На многих дешевых материнских платах BIOS вмонтирован в свой домик- микросхему без возможности его обновления. Так программа становится не программой, а лишь неотъемлемой частью железа. Если же на плате установлена микросхема BIOS с возможностями перезаписи, то проблема решается простой перезаписью новой версии BIOS. Вспомогательные функции - реализуются на этапе загрузки компьютера и состоят в следующем:

Поиск сначала на гибком а потом на жестком диске программы –загрузчика операционной системы и загрузка в оперативную память

Устройства внешней памяти можно квалифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи считывания информации, методу доступа и т.д.

Носитель - материальный объект, способный хранить информацию.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом – это означает, что ПК может обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию.

Структура диска: в качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы, позволяющие фиксировать два магнитных состояния, два направления намагниченности. Каждому состоянию ставится в соответствие двоичные цифры – 0 и 1. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисковод.

Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек. Количество дорожек и их информационная ёмкость зависят от типа, конструкции и качества магнитного покрытия магнитного диска.

Каждая дорожка разбита на сектора, в одном секторе обычно 512 байт данных. Обмен данными между диском и оперативной памятью осуществляется последовательно числом секторов. Одно или несколько смежных секторов дорожки - кластер.

При записи и чтении информации диск вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи и чтения информации.

Вследствие большого разнообразия внешних запоминающих устройств, они сильно отличаются по времени выборки доступа к хранимой информации, ее объему, который может храниться в данном устройстве, удельной стоимости хранения одинакового объема информации. Все запоминающие устройства хранят данные как последовательности битов, мельчайших элементов информации, распознаваемых компьютером. Бит подобен электрической лампочке: он либо включен, либо выключен. Когда бит включен (установлен) его величина равна 1. Когда бит выключен (сброшен) его величина равна 0. Последовательность из восьми битов составляет байт.

В персональном компьютере, как правило, используется несколько видов запоминающих устройств, различающихся по способу хранения информации, т.е. битов и байтов. Важнейшими из них являются магнитные и оптические.

Магнитными устройствами являются накопители на гибких магнитных дисках, накопители на жестких магнитных дисках, накопители на магнитной ленте.

Накопитель (дисковод) на гибких магнитных дисках - устройство для чтения и записи гибких магнитных дисков (флоппи-дисков, дискет). Дискеты являются съемными носителями, т.е. один дисковод может множество дискет. Дискета вводится в механизм через цель, которая обычно закрыта откидной заслонкой. Позиционирования и фиксация дискеты производится автоматически, после чего она раскручивается. Контактирование головок чтения/записи с дискетой производится через прорезь в конверте. Накопитель на дискетах был впервые разработан в фирме IBM как устройство загрузки диагностического программного обеспечения.

Накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер) - устройство для чтения/записи несъемных жестких дисков (речь идет о современном варианте). Таким образом, запоминающее устройство и носитель информации представляют собой неделимое целое. Понятие "несъемный" вовсе не означает, что такой накопитель нельзя вынуть из компьютера, просто сами диски не вынимается из накопителя. Накопители на жестких магнитных дисках получили такое наименование благодаря жесткости дисковых пластин.

Накопитель на магнитной ленте (стример) - это устройство для быстрой перезаписи данных с жесткого диска на магнитную ленту. Стримеры работают со съемными носителями. Недостаток стримеров связан с последовательным доступом к магнитным лентам, что влечет большое время доступа к данным и недостаточную надежность, порождаемую повышенными механическими нагрузками.

Оптическим устройствам является оптическое запоминающее устройство для чтения CD ROM. Накопители любой природы также называются дисководами. Приводы CD-ROM являются разновидностью устройств, используемых для проигрывания компакт-дисков. К сожалению, их механизм позволяет только читать данные, но не записывать их. (ROM означает память, предназначенную только для чтения). Однако уже существует технология записи на компакт-диски. Благодаря большой емкости компакт-диска (свыше 600 MB), приводы CD-ROM являются превосходными носителями для больших программных продуктов, особенно мультимедийных. Главным отличием CD-ROM от накопителей на магнитных дисках является то, что для чтения информации они используют свет, а не магнитные поля.

Жесткий магнитный диск (винчестр) - сам носитель информации представляет собой несколько пластин, нанизанных на стержень, называемый шпинделем и приводимый во вращение мотором. Мотор вращает дисковые пластины с постоянной скоростью, которая составляет обычно 3600, 4500, 5400 и 7400 оборотов в минуту. Во время работы диска головки никогда не касаются поверхности пластины. Они "летят" над поверхностью на воздушной подушке тоньше волоса. Жесткий диск герметически запечатан, потому что даже мельчайшие частицы пыли, попавшие между головкой и поверхностью диска, могут повредить его и привести к потере данных, соскоблив магнитные частицы. Жесткие диски называют "винчестер" из-за особенностей маркировки его емкости, подобно калибру охотничьего ружья "Винчестер". Стандартная емкость современного винчестера - 4 Гб (гигабайт).

Магнитная лента наматывается на бобины (катушки) или находится в кассете. Магнитная лента стала использоваться в работе на компьютерах в 50-х годах, когда она была уже широко распространена в звукозаписи и измерительной технике.

CD ROM (оптический, лазерный диски, компакт-диск) - поверхность компакт-диска (тонкая алюминиевая пленка или фольга, защищенная пластиковым покрытием) содержит последовательность микроскопических площадок и углублений. Площадка отражает лазерный луч, обозначая высокое состояние (1) бита, а углубление рассеивает свет, обозначая низкое состояние (0) бита.

Периферийные устройства.

Клавиатура реализует диалоговое или интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером для достижения следующих целей:

- ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам компьютера;

- создание, редактирование и отладку программного обеспечения;

- взаимодействие с выполняемой программой, когда требуется ввод данных и команд, для управления этой программой.

Клавиатура современных компьютеров является настраиваемой на пользовательском уровне. Настраиваемыми параметрами являются:

- интервал времени после нажатия клавиши перед началом повтора символа;

- скорость повтора автоматически вводимых символов;

- скорость мерцания курсора;

- установленные языки и раскладки клавиатуры.

Функция настройки клавиатуры относятся к системной, и может быть недоступной для пользователей корпоративных компьютеров.

Клавиатура состоит их нескольких множеств клавиш:

- базовую центральную часть клавиатуры образуют клавиши, используемые для ввода символов алфавитов, применяемых для записи различных языков, например английского и русского; служебные символы (% ^? * () ~ \ / | и др.) и цифровые клавиши;

- навигационная клавиатура, с помощью которой осуществляется перемещение курсора

- в большинстве моделей клавиатур имеется дополнительная клавиатура, допускающая два режима работы, как навигационной и как цифровой, переключение между которыми происходит по нажатии клавиши Num Lock.

- функциональные клавиши F1-F12, действие которых может изменяться, т.е. программироваться по-разному в различных программах. Однако существует ряд правил по их использованию, например клавиша F1, как правило, используется для получения справки по используемой программе.

- функциональные клавиши, инициирующие и прерывающие выполнение команд и программ:

- Enter - активизация некоторого программы или команды;

- Esc - отмена, прерывание какого либо программы или команды;

- Pause Break - приостановка/прерывание текущего процесса.

- функциональные клавиши Shift, Alt, Ctrl, действующие при одновременном нажатии других клавиш, что позволяет связать с ними несколько различных действий, например одновременное нажатие клавиш Ctrl и PgUp вызывает перемещение курсора в начало файла.

- клавиша Caps Lock - фиксирование верхнего регистра, по аналогии с печатной машинкой.

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры), цифровые фотокамеры, цифровые видеокамеры.

Сканеры предназначены для оцифровки информации, представленной в графическом виде. Сканеры бывают следующих типов: планшетные, ручные, барабанные. Основными характеристиками сканеров являются разрешающая способность; производительность; максимальный размер сканируемого материала. Сканеры также используют для ввода текстовой информации. Введенные при помощи сканера данные обрабатываются специальными программами и сохраняются в специальных форматах, которые пригодны для обработки с помощью специального прикладного программного обеспечения.

Дигитайзеры предназначены для оцифровки имеющего графического материала, например, оцифровка карт местности, или оцифровка результатов испытаний некоторого объекта, представленных в виде графиков.

Цифровые фото- и видеокамеры позволяют оцифровывать информацию об окружающем мире в форму, пригодную для обработки на компьютерах. Оцифрованная информация заносится в память этих устройств на специальные носители, а затем переносится на компьютер для редактирования и долговременного хранения.

Устройства отображения.

Мониторы - устройства визуального отображения данных во время работы программ. Различают дисплеи: алфавитно-цифровые и графические; монохромные и цветные. Однако современные мониторы являются графическими цветными.

Основными потребительскими параметрами являются: размер, разрешающая способность, количество поддерживаемых цветов, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты

Размер монитора измеряется его диагональю в дюймах. Стандартные размеры 14"; 15"; 17";19";20";21". Наиболее употребимыми являются мониторы размер 15 и17 дюймов. Для работы с графикой предпочтительны мониторы размером 19-21 дюйм.

Разрешающая способность задается числом точек (пикселов) по горизонтали и число точечных строк по вертикали, например 1024* 1024 иди 2048* 2048.

Количество поддерживаемых цветов зависит от количества пикселов объема растровой памяти (bit mapping). Каждый пиксел на экране формируется из фрагмента растровой памяти, например, 1 бит (монохромное изображение), 8 бит (в оттенках серого), 8 или16 бит (цветное), 24 или 32 бит (истинное цветное). Информация, записанная в указанных битах, управляет атрибутами пиксела (например, яркостью, миганием и др.).

Максимальная частота регенерации изображения или частота кадров показывает, сколько раз в секунду монитор может полностью сменить изображение. Чем выше эта частота, тем четче и устойчивее изображение. На сегодняшний день частота 75 M Гц является минимально, 85 M Гц - нормативным и 100 M Гц комфортной.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности. Эргономическими характеристиками монитора являются: яркость, конрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия. Наиболее жестким международным стандартом является стандарт TCO-99.

Устройства вывода данных.

Основными устройствами вывода данных являются принтеры (печатающие устройства) и плоттеры (графопостроители).

Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры разнятся между собой по различным признакам:

- цветность (черно-белые и цветные);

- способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);

- принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные);

- способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);

- ширина каретки (с широкой (375-450 мм) и узкой (250 мм) кареткой);

- длина печатной строки (80 и 132-136 символов);

- набор символов (вплоть до полного набора символов ASCII);

- скорость печати;

- разрешающая способность, наиболее употребительной единицей измерения является dpi (dots per inch) – количество точек на дюйм.

Существует много типов устройств, отличающихся по способу, скорости к качеству печати. В самом общем виде, назначение принтеров состоит в переносе неосязаемой электронной информации осязаемый бумажный или еще какой носитель с помощью красящего вещества. Носитель красящего вещества для принтера называется картридж. Технология этого переноса может иметь механическую или иную природу, соответственно принтеры называют ударными печатающими устройствами или безударными печатающими устройствами. Основными видами ударных печатающих устройств являются барабанные и матричные принтеры. Основными видами безударных печатающих устройств являются лазерные и струйные.

Барабанные принтеры или алфавитно-цифровые печатающие устройства были широко распространены на компьютерах вплоть до конца 80-х годов. В настоящее время используются ограниченно для вывода очень больших объемов информации. Символы выгравированы на барабане, поэтому принтеры этого типа имеют ограниченное количество символов. Для вывода информации используется специальная перфорированная бумага. Картридж представляет собой красящее полотно из нетканого материала которое натягивается на барабан. Для вывода информации используется только специальная перфорированная бумага.

Матричные принтеры являются простейшими печатающими устройствами. Данные выводятся на бумагу с помощью точечной матрицы в виде оттиска, образующего при ударе иголок этой матрицы через красящую ленту. Наибольшее распространение имеют 9-игольчатые и 24-игольчатые матричные принтеры. Напечатанные символы обычно имеют пустые участки и зазубрины по краям, а в целом, качество печати на матричных принтерах сравнимо с печатной машинкой. Картридж представляет собой пластмассовую коробочку в которой специальным образом (часто в форме листа Мебиуса) сложена замкнутая красящая лента, подобно тем, которые используются на печатных машинках. Печать может осуществляться как на отдельные листы, так и на перфорированную бумагу.

Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати, сравнимое с полиграфическим. Вывод данных может идти на бумагу или на специальные прозрачные листы, предназначенные для организации презентаций. Качество печати высокое и пригодно для изготовления оргинал-макетов книг. Картридж представляет пластиковый контейнер, заполненный специальным порошком. Вывод идет только на листовые носители различных форматов (A3, A4 и др.).

Струйные принтеры выводят данные на бумагу с помощью пятен, образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Выброс микрокапель происходит по давлением. которое образуется в печатающей головке за счет парообразования. Качество печати зависит от вязкостных свойств красителя и впитывающих свойств бумаги. Основной недостаток струйных принтеров состоит в нестабильном качестве получаемого разрешения, однако они могут обеспечивать качество цветных отпечатков достижимое с помощью фотохимических методов. Картридж представляет собой как бы электронную чернильницу, сравнимую по размерам с обычной чернильницей. Для вывода используется листовая бумага. Достижение высокого качество возможно только при использовании специальной бумаги для конкретного типа принтера.

Графопостроители (плоттеры) предназначены для вывода графических данных, например, для вывода чертежей. Различают рисующие и режущие плоттеры. В первом случае вывод идет на бумагу с применением перьев (специальных фломастеров), а во втором допустимый технологический материал с применением специального режущего инструмента. По конструкции плоттеры бывают планшетные и рулонные. В планшетных плоттерах материал, на который идет вывод фиксируется на плоском столе, а перья перемещаются в двух направлениях - по осям X и Y. В рулонных принтерах используется только бумага, которая перемещается в вертикальном направлении, а перья в горизонтальном. Более высокое качество вывода графической информации обеспечивают планшетные плоттеры.

Устройства позиционирования.

Общение с современными компьютерами строится с использованием ряда устройств позиционирования или манипуляторов. Рассмотрим основные виды.

Манипулятор “Мышь” представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами и утопленным свободно вращающимся шариком в его нижней части. Пользователь перемещая мышь по поверхности стола позиционирует указатель мыши на экране и нажатием клавиш может выполнять определенные действия. Например, в Windows 95/NT нажатие правой клавиши вызывает контекстное меню.

Трекбол – в отличие от мыши устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движенье ладонью руки. Преимущество трекбола состоит в том, что он не нуждаются в гладкой рабочей поверхности, потому трекболы нашли широкое применение в портативных персональных компьютерах.

Пенмаус – по внешнему виду похож на шариковую ручку, у которой вместо пишущего узла находится регистратор величину перемещения этого устройства.

Инфракрасная мышь – отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Джойстик представляет собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, аналогичных по действию к клавишами мыши. Джойстик применяется для компьютерных игр и в некоторых специализированных имитаторах.

Конструктивное исполнение персонального компьютера

Персональный компьютер включает несколько основных устройств: системный блок, клавиатуру, монитор, манипулятор "мышь". Для расширения функциональных возможностей компьютера можно подключить дополнительные периферийные устройства.

Системный блок содержит всю электронную часть компьютера, блок питания, устройства для хранения информации. Внутри системного блока расположены процессор, оперативная память, накопители на магнитных дисках, CD-ROM.

Периферийные устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые размещаются обычно на задней стенке системного блока.