лекц инф копия. 1. Информатика как научная дисциплина. Понятие информации Информатика как научная
 Скачать 396.97 Kb.
|
|
Алгоритмический язык – это система правил и обозначений для точной и однозначной записи алгоритмов. Такая запись является формализованной. Это означает, что запись подчиняется строгим требованиям синтаксиса языка. Язык программирования – это система обозначений и правил для записи алгоритмов, предназначенная для использования на ЭВМ. Программа – запись серии исполняемых команд на заданном языке программирования. На заре компьютерной эры, в 40-50-е годы, программы разрабатывались непосредственно на машинном языке (языке программирования низкого уровня), то есть на том языке, который «понимает» процессор. Программы на языке программирования низкого уровня представляли собой очень длинные последовательности нулей и единиц, в которых человеку разобраться было очень трудно. В 60-е годы началась разработка языков программирования высокого уровня (Алгол, Фортран, Бейсик, Паскаль и др.), которые позволили существенно облегчить работу программистов. Языки программирования высокого уровня – позволяют создавать программы в привычном для человека виде (в виде предложений). Такие языки программирования строились на основе использования определенного алфавита и строгих правил построения предложений (синтаксиса). В настоящее время наибольшей популярностью пользуются системы объектно-ориентированного визуального программирования MicrosoftVisualBasic, BorlandDelphi, C++ (СИ++), JAVA. В мире насчитывается несколько сотен языков программирования различных структур и возможностей. Программный принцип работы компьютера В XIX веке английским математиком и инженером Чарльзом Бэббиджем был разработан проект вычислительной машины, которая предназначалась для автоматического проведения длинных цепочек вычислений. Главной особенностью конструкции этой машины является программный принцип работы. Чарльза Беббиджа считают изобретателем компьютера – он впервые соединил механический арифмометр с идеей программного управления. По своему назначению компьютер – это универсальный прибор для работы с информацией. В основу работы компьютеров положен программный принцип управления. Любой компьютер представляет собой автоматическое устройство, работающее по заложенным в него программам. Первая вычислительная машина, способная хранить программу в своей памяти, разрабатывалась в 1943—1948 гг. в США под руководством Джона Мочли и ПреснераЭкерта. В1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств. Первый компьютер, в котором были полностью реализованы эти принципы, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. Изменяется элементная база, компьютеры становятся все более и более мощными, но до сих пор большинство из них соответствуют тем принципам, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман. Согласно фон Нейману, ЭВМ состоит из следующих основных блоков: арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции; устройство управления, которое организует процесс выполнения программ; запоминающее устройство, или память, для хранения программ и данных; внешние устройства для ввода-вывода информации. Устройства компьютера В современных компьютерах это: память (запоминающее устройство — ЗУ), состоящая из перенумерованных ячеек; процессор, включающий в себя устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ); устройство ввода; устройство вывода. Эти устройства соединены между собой каналами связи, по которым передается информация.  Общая схема компьютера – сигнал управления; – информационный сигнал
Одна часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством, а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, — устройством управления. Обычно эти устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены. В составе процессора имеется ряд специализированных дополнительных ячеек памяти, называемых регистрами. Регистр выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Основным элементом регистра является электронная схема, называемая триггером. Регистр представляет собой совокупность триггеров, связанных друг с другом определенным образом общей системой управления. Существует несколько типов регистров, отличающихся видом выполняемых операций. Некоторые важные регистры имеют свои названия, например: сумматор — регистр АЛУ, участвующий в выполнении каждой операции; счетчик команд — регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Он служит для автоматической выборки программы из последовательных ячеек памяти; регистр команд — регистр УУ для хранения кода команды на период времени, необходимый для ее выполнения. Часть его разрядов используется для хранения кода операции, остальные — для хранения кодов адресов операндов. Принцип программного управления Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта команда может задавать выполнение арифметических или логических действий, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций или запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды расположены в памяти друг за другом, организуется выборка цепочки команд из последовательно распложенных ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой ячейке, то используются команды условного и безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека. Принцип программного управления обеспечивает универсальность использования компьютера: в определенный момент времени решается задача по соответственно выбранной программе. После ее завершения в память загружается другая программа и т.д. Принцип однородности памяти Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Принцип адресности Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Память компьютера должна состоять из некоторого числа пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компьютера. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, чтобы к сохраненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен. 21. Многообразие компьютеров. Аппаратная реализация компьютера. Основные характеристики компьютеров Многообразие компьютеров Персональный компьютер (ПК) – это компьютер, предназначенный для индивидуального использования. В настоящее время это мощный универсальный компьютер, который работает как дома, так и на рабочих местах в офисах, легко подключается к различным вычислительным системам. Технической основой ПК служит микропроцессор (МП). Развитие технологии МП определило смену поколений персональных компьютеров: 8-разрядный МП (1975 – 1980) – I поколение; 16- разрядный МП (1981 – 1985) – II поколение; 32- разрядный МП (1986 – 1992) – III поколение; 64- разрядный МП (1993 г. – по настоящее время) – IV поколение; Важную роль в развитии ПК сыграло появление компьютера IBMPC, произведенного корпорацией IBM (США) на базе МП Intel-8086 в 1981 г. Этот персональный компьютер занял ведущее место на рынке ПК. Его основное преимущество – открытая архитектура, благодаря которой пользователи могут расширять возможности ПК, добавляя различные периферийные устройства и модернизируя компьютер. В наши дни 85% всех компьютеров базируется на архитектуре IBMPC. Классификация ПК по назначению ПК общего назначения – предназначены для массового потребителя для развлечения, обучения и работы. Профессиональные ПК – применяются в научной сфере, для решения сложных информационных и производственных задач, где требуется высокое быстродействие, эффективная передача больших массивов информации, достаточно большая емкость оперативной памяти. Классификация ПК по конструктивному исполнению Современный персональный компьютер может быть реализован: Персональный компьютер или ПК – это вид компьютера, предназначенный для общего использования одним человеком. Обычно это компьютер под управлением операционной системы Windows или Mac. ПК впервые стали известны как «микрокомпьютеры», так как они были уменьшенной копией компьютеров, используемых на предприятиях – а в те времена компьютеры были действительно огромными. На сегодняшний день к персональным ПК относятся ноутбуки и планшеты вроде айпада. 2. Настольный ПК – это компьютер, который не предназначен для переноса, а расположен на постоянном месте, например, за рабочим столом. Настольные компьютеры предлагают высокую производительность, много места для хранения данных при меньших затратах, чем портативные компьютеры, вроде ноутбуков и планшетов. Сегодня, если мы говорим о компьютере игромана, то это наверняка настольный ПК. 3. Портативный компьютер – также называются ноутбуками и объединяют в себе экран, клавиатуру и тачпад, процессор, память и жесткий диск, и все это работает от аккумулятора. 4. Нетбук – это ультра-портативные компьютеры, которые даже меньше, чем традиционные ноутбуки. Также они крайне эффективны экономически, в результате их стоимость составляет от 5 до 15 тысяч рублей в розничных торговых точках. Но внутренние компоненты нетбуков менее мощны, чем у ноутбуков. 5. КПК – карманный персональный компьютер, который тесно связан с интернетом и интеграцией с персональным компьютером, часто использует флеш-память в качестве основной. Эти компьютеры обычно не имеют клавиатуры, а полагаются на технологии сенсорного ввода. КПК размером со смартфон или чуть больше. 6. Рабочая станция – это просто настольный компьютер, который имеет более мощные технические характеристики и расширенные возможности для выполнения специализированных задач, например, обработка звука, монтаж видео, обработка 3D-графики или разработка компьютерных игр.  7. Сервер – компьютер, который оптимизирован и настроен для оказания услуг другим компьютерам в сети. Сервера обычно имеет более мощные технические характеристики и больший объем жестких дисков. Сервера могут заполнять целые комнаты, называемые дата-центрами.  Аппаратная реализация компьютера Настольные компьютеры состоят из системного блока, монитора и клавиатуры. В портативных и карманных компьютерах системный блок спрятан под клавиатурой, а монитор встроен в крышку клавиатуры. Системный блок является в компьютере главной частью. В нем располагаются все основные компоненты компьютера: материнская (системная) плата, к которой подключаются все остальные платы и микросхемы (микропроцессор, оперативная память, контроллеры различных устройств); блок питания, преобразующий напряжение сети в постоянный ток низкого напряжения для питания различных компонентов компьютера; накопитель на жестком магнитном диске (винчестер); дисководы для чтения и записи компакт-дисков. На заднюю панель системного блока выведены разъемы, через которые к компьютеру подключаются различные внешние устройства: монитор, клавиатура, принтер и т.д. Каждое внешнее устройство подключаются к центральной части компьютера (микропроцессор и память) с помощью контроллеров (адаптеров). Контроллеры управляют внешними устройствами. Каждому внешнему устройству соответствует свой контроллер. Основные характеристики компьютеров Характеристики микропроцессора Микропроцессор – выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Микропроцессор – это «мозг» и «сердце» компьютера. Основной характеристикой микропроцессора является тактовая частота, которая в значительной степени определяет его быстродействие. Чем выше тактовая частота микропроцессора, тем выше его производительность. Другой характеристикой процессора является его разрядность. Разрядность процессора определяется числом двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. С момента появления первого процессора (1971 г.) тактовая частота процессоров увеличилась в 38 000 раз (с 0,1 МГц до 3 800 МГц), разрядность увеличилась в 16 раз (с 4 битов до 64 битов). В настоящее время производительность процессоров увеличивается путем совершенствования архитектуры процессора (введение в структуру процессора кэш-памяти, многоядерность – вместо одного ядра процессора используется много ядер (в 2011 г. – до 100 ядер!)). Производительность процессора нельзя вычислить – она определяется в процессе тестирования, по скорости выполнения процессором определенных операций в какой-либо программной среде. Характеристики внутренней памяти Важное значение для производительности компьютера имеет объем оперативной памяти. Оперативная память – (RAM – англ. RandomAccessMemory – память с произвольным доступом) — часть системы компьютерной памяти, в которой временно хранятся программы в процессе их выполнения и данные в процессе их обработки процессором. Оперативная память представляет собой множество ячеек, каждая ячейка имеет свой уникальный адрес. Каждая ячейка памяти имеет объем 1 байт. Максимальный объем адресуемой памяти для Pentium 4 равен 64 Гбайт. В персональных компьютерах объем адресуемой памяти и величина фактически установленной оперативной памяти (модулей оперативной памяти) практически всегда различаются. Величина фактически установленной оперативной памяти может быть 2 – 4 Гбайт. Существует четыре главные характеристики микросхемы оперативной памяти: тип, структура, объем и время доступа к ячейке. Постоянная память (ROM – ReadOnlyMemory – память только для чтения) –энергонезависимая память. Содержание памяти «зашивается» при ее изготовлении для постоянного хранения. В постоянной памяти хранятся программы управления работой процессором, внешней памятью, дисплеем, клавиатурой, принтером, программы запуска и остановки компьютера, программы тестирования устройств. ВидеопамятьVRAM – разновидность оперативного запоминающего устройства, в котором хранятся закодированные изображения. Это запоминающее устройство организовано так, что его содержимое доступно сразу двум устройствам – процессору и монитору, поэтому изображение на экране меняется одновременно с обновлением видеоданных в памяти. Внешняя память Накопитель на жестких магнитных дисках (HDD – HardDiskDrive), или винчестер, - используется для постоянного хранения информации – программ и данных. Ёмкость современных жёстких дисков (на ноябрь 2010 г.) достигает 3 000 ГБ (3 Терабайт). Обязательным компонентом персонального компьютера стали дисководы для компакт-дисков (CD и DVD). 22. Архитектура компьютеров Архитектура – это наиболее общие принципы построения компьютера, отражающие программное управление работой и взаимодействием его основных функциональных узлов. В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип. Модульный принцип позволяет потребителю самому комплектовать нужную ему конфигурацию компьютера и производить при необходимости ее модернизацию. Модульная организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между устройствами. К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и устройства хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).  Магистрально-модульное устройство компьютера |