Информатика. Информатика утверждено Редакционноиздательским советом университета в качестве учебного пособия Издательство Пермского государственного технического университета 2008 2 удк 004(075.
 Скачать 1.98 Mb.
|
|
2.4. Кодирование звуковой информации В кодировании звуковой информации можно выделить два основных направления. Метод FM (Frequency Modulation) основан на том, что тео- ретически любой сложный звук можно разложить на последова- тельность простейших гармонических сигналов разных частот, каждый из которых представляет собой правильную синусоиду, а следовательно, может быть описан числовыми параметрами, т.е. кодом. Разложение звуковых сигналов в гармонические ря- ды и представление в виде дискретных цифровых сигналов вы- полняют специальные устройства – аналого-цифровые преобра- зователи (АЦП). Обратное преобразование для воспроизведения звука, закодированного числовым кодом, выполняют цифроана- логовые преобразователи (ЦАП). При таких преобразованиях неизбежны потери информации, поэтому качество звукозаписи не вполне удовлетворительное. В то же время данный метод ко- дирования обеспечивает весьма компактный код. Метод таблично-волнового (Wave-Table) синтеза лучше со- ответствует современному уровню развития техники. Проще го- воря, где-то в заранее подготовленных таблицах хранятся об- разцы звуков (сэмплы) для множества различных музыкальных инструментов. Числовые коды выражают тип инструмента, но- мер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсив- ность звука, динамику его изменения и другие показатели. Ка- чество звука, полученного в результате синтеза, получается очень высокое. 13 3. СОСТАВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ 3.1. Принцип действия компьютера В основе любого современного компьютера лежит такто- вый генератор, вырабатывающий через равные интервалы вре- мени электрические сигналы, которые используются для приве- дения в действие всех устройств компьютерной системы. В ПК тактовые импульсы задает одна из микросхем, входящая в мик- ропроцессорный комплект (чипсет), расположенный на мате- ринской плате. Чем выше частота тактов, поступающих на про- цессор, тем больше команд он может исполнить в единицу вре- мени (исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов) и тем выше его производительность [1]. Управление компьютером фактически сводится к управле- нию распределением сигналов между устройствами. Такое управление может производиться автоматически (программное управление). В современных компьютерах внешнее управление в значительной степени автоматизировано с помощью специ- альных аппаратно-логических интерфейсов, к которым подклю- чаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и др.). Такое управление называется интерак- тивным. Состав вычислительной системы называется конфигураци- ей. Отдельно рассматривают аппаратную конфигурацию вычис- лительных систем и их программную конфигурацию. Несмотря на то, что программное и аппаратное обеспече- ние рассматриваются отдельно, в компьютере они работают в неразрывной связи и при непрерывном взаимодействии. 3.2. Аппаратное обеспечение Аппаратная конфигурация представляет собой блочно- модульную конструкцию, т.е. конфигурацию, состоящую из го- товых узлов и блоков. По способу расположения устройств относительно цен- трального процессорного устройства (ЦПУ, CPU) различают внутренние и внешние устройства. Внешними, как правило, яв- 14 ляются большинство устройств ввода-вывода данных (перифе- рийные устройства) и некоторые устройства длительного хране- ния данных. Согласование между отдельными узлами и блоками выпол- няют с помощью переходных аппаратно-логических устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппа- ратные интерфейсы называют протоколами. Таким образом, протокол – это совокупность технических условий, которые должны быть обеспечены разработчиками устройств для ус- пешного согласования их работы с другими устройствами. Интерфейсы в архитектуре вычислительной системы мож- но условно разделить на две большие группы: последователь- ные и параллельные. Через последовательный интерфейс данные передаются бит за битом, а через параллельный – одновременно группами битов (количество битов, участвующих в одной по- сылке, определяется разрядностью интерфейса). Параллельные интерфейсы обычно имеют более сложное устройство, чем по- следовательные, но обеспечивают более высокую производи- тельность. Для параллельных интерфейсов ее измеряют байтами в секунду (байт/с; кбайт/с; Мбайт/с). Устройство последовательных интерфейсов проще, как правило, для них не надо синхронизировать работу передающе- го и принимающего устройств (поэтому их часто называют асинхронными интерфейсами), но пропускная способность их меньше и коэффициент полезного действия ниже, так как из-за отсутствия синхронизации посылок полезные данные предва- ряют и завершают посылками служебных данных. Поэтому производительность последовательных устройств измеряют би- тами в секунду (бит/с; кбит/с; Мбит/с). 3.3. Программное обеспечение Программы – это упорядоченные последовательности ко- манд. Конечная цель любой компьютерной программы – управ- ление аппаратными средствами. Состав программного обеспечения (ПО) вычислительной системы называют программной конфигурацией. Между про- граммами, как и между физическими узлами и блоками, 15 существует взаимосвязь – многие программы работают, опираясь на другие програм- мы более низкого уровня (межпрограммный интер- фейс). Таким образом, про- граммное обеспечение можно распределить на несколько взаимодействующих между собой уровней, представ- ляющих пирамидальную кон- струкцию (рис. 1). Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней, и каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы [1]. Базовый уровень. Отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Как правило, базовые программные средства непосредственно входят в состав базового оборудова- ния и хранятся в специальных микросхемах, называемых по- стоянными запоминающими устройствами (ПЗУ – Read Only Memory, ROM). Программы и данные записываются («проши- ваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства и не могут быть изменены в процессе эксплуатации. В тех случаях, когда изменение базовых программных средств во время эксплуатации является технически целесооб- разным, вместо микросхем ПЗУ применяют перепрограммируе- мые постоянные запоминающие устройства. Системный уровень. Программы, работающие на этом уровне, обеспечивают взаимодействие прочих программ ком- пьютерной системы с программами базового уровня и непо- средственно с аппаратным обеспечением. В состав программного обеспечения системного уровня входят программы, отвечающие за взаимодействие с конкрет- ными устройствами, называемые драйверами устройств. Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем (средства обеспечения пользо- вательского интерфейса). Базовое ПО Системное ПО Служебное ПО Прикладное ПО Рис. 1. Уровни программного обеспечения 16 Совокупность программного обеспечения системного уров- ня образует ядро операционной системы компьютера, например, операционная система Windows (приложение 1). Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программами базового уровня, так и с программами системного уровня. Основное назна- чение служебных программ (их также называют утилитами) состоит в автоматизации работ по проверке, наладке и настрой- ке компьютерной системы. Во многих случаях они использу- ются для расширения или улучшения функций системных программ. Классификация служебных программных средств: Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). С их помо- щью выполняется большинство операций, связанных с обслу- живанием файловой структуры: копирование, перемещение и переименование файлов, создание и удаление файлов и ката- логов, навигация в файловой структуре (например, программа Проводник – стандартное приложение операционной системы Windows). Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания архивов с целью повышения эффективности ис- пользования носителя за счет того, что архивные файлы обычно имеют повышенную плотность записи информации. Средства просмотра и воспроизведения. Средства диагностики. Предназначены для автоматиза- ции процессов диагностики программного и аппаратного обес- печения. Средства контроля (мониторинга). Позволяют следить за процессами, происходящими в компьютерной системе. Мониторы установки. Предназначены для контроля над установкой программного обеспечения (для протоколирования образования связей между различными категориями програм- много обеспечения). Средства коммуникации. Позволяют устанавливать со- единения с удаленными компьютерами, обслуживают передачу сообщений электронной почты, работу с телеконференциями (группами новостей) и др. 17 Средства обеспечения компьютерной безопасности. К ним относятся средства пассивной защиты (программы для ре- зервного копирования) и активной защиты (антивирусное про- граммное обеспечение, например программы NOD32, Dr.Web, Антивирус Касперского 7.0), а также средства защиты от не- санкционированного доступа, просмотра и изменения данных. Прикладной уровень. Представляет собой комплекс при- кладных программ, с помощью которых выполняются конкрет- ные задания. Классификация прикладных программных средств: Текстовые редакторы. Обеспечивают ввод и редактиро- вание текстовых данных. Текстовые процессоры. Позволяют не только вводить и редактировать текст, но и форматировать его, т.е. оформлять, например, Microsoft Word (приложение 2). Графические редакторы. Предназначены для создания и обработки графических изображений. Различают следующие категории графических редакторов: растровые редакторы (на- пример, Adobe Photoshop), векторные редакторы (например, CorelDraw) и программные средства для создания и обработки трехмерной графики (3D-редакторы, например, 3D Studio Max). Растровые редакторы применяют в тех случаях, когда гра- фический объект представлен в виде комбинации точек, обра- зующих растр и обладающих свойствами яркости и цвета. Такой подход эффективен в тех случаях, когда графическое изображе- ние имеет много полутонов и информация о цвете элементов, составляющих объект, важнее, чем информация об их форме. Растровые редакторы широко применяются для обработки изо- бражений, их ретуши, создания фотоэффектов. Векторные редакторы отличаются от растровых способом представления данных об изображении. Элементарным объек- том векторного изображения является не точка, а линия. Такой подход характерен для чертежно-графических работ, в которых форма линий имеет большее значение, чем информация о цвете отдельных точек, составляющих ее. Электронные таблицы. Предоставляют комплексные средства для хранения различных типов данных и их обработ- 18 ки, например Microsoft Excel (приложение 3). Основное свойст- во электронных таблиц состоит в том, что при изменении содержания любых ячеек таблицы может происходить автома- тическое изменение содержания во всех прочих ячейках, свя- занных с измененными соотношениями, заданными математи- ческими или логическими выражениями (формулами). Приме- няются там, где необходимо автоматизировать регулярно повторяющиеся вычисления достаточно больших объемов чи- словых данных. Системы управления базами данных (СУБД). Базами данных называют массивы данных, организованных в таблич- ные структуры. Основными функциями СУБД, например Micro- soft Access (приложение 4), являются: 1) создание пустой (незаполненной) структуры базы данных; 2) предоставление средств ее заполнения или импорта дан- ных из таблиц другой базы; 3) обеспечение возможности доступа к данным, а также предоставление средств поиска и фильтрации. Системы автоматизированного проектирования (CAD- системы). Предназначены для автоматизации проектно-конст- рукторских работ. Кроме чертежно-графических работ эти сис- темы позволяют проводить простейшие расчеты (например, расчеты прочности деталей) и выбор готовых конструктивных элементов из обширных баз данных. Специальные пакеты (математические, статистиче- ские и др.). Обеспечивают решение задач в определенной пред- метной области, например в математике (программа Mathcad) (приложение 5), статистике, банковском деле и т.д. Экспертные системы. Предназначены для анализа дан- ных, содержащихся в базах знаний, и выдачи рекомендаций по запросу пользователя. Такие системы применяют в тех случаях, когда исходные данные хорошо формализуются, но для приня- тия решений требуются обширные специальные знания (юрис- пруденция, медицина, химия). Web-редакторы. Предназначены для создания и редак- тирования Web-документов (Web-страниц Интернета). Объеди- 19 няют в себе свойства текстовых и графических редакторов (на- пример, программа FrontPage из пакета Microsoft Office). Браузеры (обозреватели, средства просмотра Web). Программные средства, предназначенные для просмотра элек- тронных документов, выполненных в формате HTML (напри- мер, Microsoft Internet Explorer). Интегрированные системы делопроизводства. Пред- ставляют собой программные средства автоматизации рабочего места руководителя. Геоинформационные системы (ГИС). Предназначены для автоматизации картографических и геодезических работ на основе информации, полученной топографическими или аэро- космическими методами. 4. ФУНКЦИИ ОПЕРАЦИОННЫХ СИСТЕМ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ Операционная система представляет комплекс системных и служебных программных средств. Приложениями операцион- ной системы называют программы, предназначенные для рабо- ты под управлением данной системы. Основная функция операционных систем – посредниче- ская [1]. Она заключается в обеспечении нескольких видов ин- терфейса: интерфейса между пользователем и программно-аппарат- ными средствами компьютера (интерфейс пользователя); интерфейса между программным и аппаратным обеспе- чением (аппаратно-программный интерфейс); интерфейса между разными видами программного обес- печения (программный интерфейс). 4.1. Обеспечение интерфейса пользователя По реализации интерфейса пользователя различают негра- фические и графические операционные системы. Неграфические операционные системы (например, MS-DOS) реализуют интер- фейс командной строки. Основным устройством управления в этом случае является клавиатура. 20 Работа с графической операционной системой основана на взаимодействии активных (указатель мыши) и пассивных (стро- ки меню, экранные кнопки, значки, раскрывающиеся списки и т.д.) экранных элементов управления. 4.2. Обеспечение автоматического запуска Все операционные системы обеспечивают свой автомати- ческий запуск. Для дисковых операционных систем в специаль- ной (системной) области диска создается запись программного кода. Обращение к этому коду выполняют программы, находя- щиеся в базовой системе ввода-вывода (BIOS). Завершая свою работу, они дают команду на загрузку и исполнение содержимо- го системной области диска. Недисковые операционные системы характерны для спе- циализированных вычислительных систем, в частности для компьютеризированных устройств автоматического управления. Математическое обеспечение, содержащееся в микросхемах ПЗУ таких компьютеров, можно условно рассматривать как аналог операционной системы. Ее автоматический запуск осу- ществляется аппаратно. При подаче питания процессор обраща- ется к фиксированному физическому адресу ПЗУ, с которого начинается запись программы инициализации операционной системы. 4.3. Организация файловой системы Все современные дисковые операционные системы обеспе- чивают создание файловой системы, предназначенной для хра- нения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Принцип организации файловой системы – табличный. Поверхность же- сткого диска рассматривается как трехмерная матрица, измере- ниями которой являются номера поверхности, цилиндра и сек- тора. Под цилиндром понимается совокупность всех дорожек, принадлежащих разным поверхностям и находящихся на равном удалении от оси вращения. Данные о том, в каком месте диска записан тот или иной файл, хранятся в системной области диска в специальных таблицах размещения файлов (FAT-таблицах). 21 Наименьшей физической единицей хранения данных явля- ется сектор. Размер сектора равен 512 байт. Поскольку размер FAT-таблицы ограничен, то для дисков, размер которых превы- шает 32 Мбайт, обеспечить адресацию к каждому отдельному сектору не представляется возможным. В связи с этим группы секторов условно объединяются в кластеры. Кластер является наименьшей единицей адресации к данным. Размер кластера, в отличие от размера сектора, не фиксирован и зависит от емко- сти диска. Для дисков размером до 8 Гбайт FAT32 (файловая система с 32-разрядными полями в таблице размещения файлов) обеспечивает размер кластера 4 кбайт (8 секторов). В файловой системе NTFS размер кластера не зависит от размера диска, и, потенциально, для очень больших дисков эта система должна работать эффективнее, чем FAT32. 4.4. Обслуживание файловой структуры Несмотря на то, что данные о местоположении файлов хра- нятся в табличной структуре, пользователю они представляются в виде иерархической структуры (файловой). К функции обслу- живания файловой структуры относятся следующие операции, происходящие под управлением операционной системы: создание файлов и присвоение им имен; создание каталогов (папок) и присвоение им имен; переименование файлов и каталогов (папок); копирование и перемещение файлов; удаление файлов и каталогов (папок) (существует как минимум три режима удаления данных: удаление, уничтожение и стирание); навигация по файловой структуре с целью доступа к файлу, каталогу (папке); управление атрибутами файлов (кроме имени и расшире- ния имени файла операционная система хранит для каждого файла дату его создания или изменения и несколько величин, называемых атрибутами файла, например, «только для чтения», «скрытый», «системный», «архивный»). Операционная систе- ма позволяет их контролировать и изменять, состояние атри- |