информатика. Литература по теме Тема Алгоритмы и программы Вопрос Понятие алгоритма
 Скачать 7.84 Mb.
|
|
Тема 3. Технические средства информационных технологий Цель и задачи: рассмотреть аппаратное обеспечение. Изучить его основные характеристики. Вопросы темы: 1. Определение, назначение, структура. 2. Состав персонального компьютера. 3. Основные характеристики современных компьютеров. Вопрос 1. Определение, назначение, структура. Электронно-вычислительная машина или компьютер (англ. computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки информации, т.е. способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи: ввод исходных данных и вывод результатов, построение изображений, диаграмм и графиков, синтезировать звук и т.д. Классическая структура компьютера, используемая до наших дней, была разработана в 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом. Эта структура получила имя своего создателя. Схема компьютера по фон Нейману представлена на рис. 1.  Рис. 1. Схема компьютера по фон Нейману В состав ЭВМ входят 5 основных устройств: 1. Устройство ввода служит для ввода исходной информации. 2. Устройство вывода служит для вывода результатов вычислений из памяти. 3. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для выполнения арифметических и логических операций над числами. 4. Запоминающее устройство (ЗУ) служит для приема, хранения и выдачи чисел. 5. Устройство управления (УУ) служит для управления работой всего компьютера в процессе вычислений. Основной принцип работы ЭВМ был предложен также Джоном фон Нейманом и получил название принципа программного управления. Этот принцип гласит, что переработка машиной исходных данных в конечный результат производится в соответствии с заранее составленной и введенной в машину программой: заранее заданной, четко определенной последовательности арифметических, логических и других операций. Джон фон Нейман также сформулировал основную концепцию логической организации ЭВМ (хранения команд компьютера в его собственной внутренней памяти), что послужило огромным толчком к развитию электронно-вычислительной техники. Работы по созданию ЭВМ проводились и в Советском Союзе. Так в декабре 1948 г. советские ученые И.С. Брук и Б.И. Рамеев получили первое в СССР авторское свидетельство на изобретение цифровой ЭВМ. К настоящему времени разработано большое количество типов компьютеров: от миниатюрных вычислительных устройств, применяемых в самых различных областях техники, до суперкомпьютеров, производящих с высочайшей скоростью обработку больших объемов информации. Например, расчеты траектории баллистических ракет, моделирование процессов ядерных реакций или обработку данных большого адронного коллайдера (БАК – ускоритель заряженных частиц, построенный в Европейском Центре ядерных исследований, является самой крупной экспериментальной установкой в мире). Компьютеры различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д. Наиболее распространенным типом ЭВМ в настоящее время является персональный компьютер (англ. personal computer), предназначенный для использования одним пользователем (персоной) в текущий момент времени. Конечно, в разное время такой компьютер могут использовать различные персоны. К персональным компьютерам относятся также и все виды портативных компьютеров: ноутбуки, планшеты и пр. Вопрос 2. Состав персонального компьютера. Персональный компьютер (ПК) – универсальная техническая система. При необходимости его конфигурацию (состав оборудования) можно изменять для соответствия большинству решаемых задач. Начиная с 1999 г. в области персональных компьютеров действует международный сертификационный стандарт. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Этот стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров: Consumer PC (массовый ПК). Office PC (деловой ПК). Mobile PC (портативный ПК). Workstation PC (рабочая станция). Entertainmemt PC (развлекательный ПК). Типовая (минимально необходимая) конфигурация персонального компьютера в настоящее время содержит следующие типовые устройства: системный блок; монитор; клавиатура; манипулятор типа «мышь». Системный блок содержит в себе средства ввода/вывода информации (частично), обработки информации (процессор), хранения информации (жесткие диски, оперативная память) (рис. 2).  Рис. 2. Системный блок персонального компьютера В системном блоке находится системная (материнская) плата, на которой располагаются процессор, постоянное запоминающее устройство и устройства оперативной памяти (рис. 3).  Рис. 3. Системная (материнская) плата с процессором (в центре) Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – это энергонезависимая память, используется для хранения массива неизменяемых данных. ПЗУ служит для хранения программ начальной загрузки компьютера и тестирования его узлов. Оперативная память в компьютере размещается на стандартных платах, называемых модулями. Модули оперативной памяти вставляют в соответствующие разъемы на материнской плате. Оперативная память компьютера хранит помещенные в неё данные только в течение одного сеанса работы компьютера. При выключении компьютера она очищается. Центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров. Физически микропроцессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера. Микропроцессор выполняет следующие основные функции: чтение данных и команд из основной памяти и внешних устройств; прием и обработку запросов и команд на обслуживание внешних устройств; обработку данных и их запись в основную память и внешние устройства; выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера. Также к материнской плате подключается видеокарта, обеспечивающая вывод графической информации на монитор. При использовании звукового оборудования (колонки, наушники) необходимо наличие звуковой карты, а для работы компьютера в локальной сети – сетевая карта. В системном блоке располагается главное запоминающее устройство – жесткий диск(«винчестер»). На нем хранятся все необходимые для работы программы, а также сохраняемые в процессе работы программ данные (рис. 4).  Рис. 4. Жесткий диск (HDD) Для обеспечения работы компьютера от электрической сети в системном блоке располагается блок питания. Кроме того, для подключения внешних запоминающих устройств системный блок содержит дисководы, к которым подключаются СD и DVD диски, флэшки и другие накопители. Все функциональные блоки связаны между собой общей шиной, называемой системной магистралью. Физически магистраль представляет собой многопроводную линию с гнездами для подключения электронных схем. Совокупность проводов магистрали разделяется на отдельные группы: шину адреса; шину данных; шину управления. Монитор персонального компьютера является главным устройством вывода как входных данных, так и результатов их обработки. Существуют два основных типа мониторов – электронно-лучевой и жидкокристаллический (ЖК-монитор). В настоящее время в основном используются ЖК-мониторы (рис. 5).  Рис. 5. Электронно-лучевой (слева) и ЖК мониторы Главными характеристиками мониторов являются размер диагонали (обычно в дюймах) и разрешение, т.е. количество различимых точек на единицу длины. В последнее время набирают популярность сенсорные экраны, в которых общение с компьютером осуществляется путем прикосновения пальцем к определенному месту чувствительного экрана. Так выбирается необходимый режим из меню, показанного на экране монитора, т.е. выведенного на экран списка различных вариантов работы компьютера, по которому можно сделать конкретный выбор. Сенсорными экранами оборудуют рабочие места операторов и диспетчеров, их используют в информационно-справочных системах и т.д. Клавиатура ПК – это основное устройство ввода текстовой и управляющей информации. Она содержит, как правило, порядка 120 клавиш, пространственно разделённых на группы по своему назначению. Манипулятор типа «мышь» является средством указания. С его помощью можно выделять (одним щелчком) элементы текста, значки и ярлыки файлов, папок и программ, а также открывать файлы и папки, запускать программы (двойным щелчком). Кроме того, при нажатой левой кнопке мыши можно выделять целые области на экране (как в тексте, так и в таблицах, а также на графических изображениях). Щелчок правой кнопкой мыши выводит на экран так называемые контекстные меню, причем в зависимости от места щелчка (от контекста) появляются различные по содержанию контекстные меню. В настоящее время применяют шариковые (на колесике), оптические (лазерные) и беспроводные лазерные мыши. Для полноценного использования возможностей персонального компьютера есть дополнительные внешние (периферийные) устройства: принтеры, сканеры, звуковые колонки, микрофоны, web-камеры, видеопроекторы. А также устройства, обеспечивающие работу компьютера в локальной или глобальной (Интернет) сети (концентраторы, модемы, роутеры). Вопрос 3. Основные характеристики современных компьютеров. Основными характеристиками любых компьютеров являются быстродействие и объем памяти. Дополнительные характеристики – это тип корпуса и его размеры, потребляемая мощность, размер экрана и тип монитора, тип клавиатуры и мыши, тип видеокарты, наличие периферийных устройств. Центральный процессор. Быстродействие компьютера определяется количеством операций в единицу времени. Понятно, что за это отвечает центральный процессор (ЦП). Такие характеристики ЦП, как его тип и тактовая частота определяют основные возможности ПК. Тактовая частота – количество операций, совершаемых ЦП за секунду. Частота отвечает за быстродействие компьютера и измеряется в герцах (1800 Мгц или 2.2 Ггц). Типы процессоров или их моделей (Intel Pentium, Intel Celeron, AMD Sempron, AMD Athlon) отличаются: амплитудой рабочей температуры; габаритами; потреблением энергии. ЦП даже одинакового типа могут иметь различные частоты – чем она выше, тем лучше производительность и быстродействие. Оперативнаяпамять(RAM – англ. Rand Access Memory). В ней хранятся программы, с которыми в данный момент работает компьютер. Объем оперативной памяти входит в список основных характеристик ПК. Измеряется в Мегабайтах и Гигабайтах. Объем ОЗУ существенно влияет на быстродействие компьютера. На сегодня объем оперативной памяти считается нормальной не меньше 1 Гб. Но уже применяются модули памяти и по 8 Гб. Жесткий диск (HDD – англ. Hard Disk Drive). Жесткие диски предназначены для долговременного хранения информации (в отличие от оперативной памяти). Они сохраняют накопленную информацию сколько угодно долго независимо от того, включен компьютер или выключен (энергонезависимая память). Емкость – основная характеристика жесткого диска – количество информации, которую можно на него записать. Измеряется в Гигабайтах и Терабайтах. В настоящее время максимальная емкость порядка 8 ТБ. Видеокарта. Видеоконтроллер или видеокарта – это плата, формирующая видеосигнал для отображения его на мониторе. Видеоадаптер обычно вставляется в разъем, размещенной на системной шине. Одной из самых главных характеристик видеосистемы (контроллер-монитор) является разрешение, т.е. количество пикселов (точек) по горизонтали и по вертикали на экране изображения: 800 х 600, 1024 х 768, 1280 x 1024. Широкоформатным мониторам присущи такие разрешения, как 1440 х 900 и т.д. При выводе картинки на экран компьютер может использовать разные палитры цветовой гаммы: от 16 до 16,8 млн. цветов. Монитор является устройством, отображающим информацию на экране. Основные характеристики монитора: Размер диагонали, измеряется в дюймах. Самые распространенные – 17”, 19”, 22”. Разрешение (количество точек по вертикали и горизонтали). Типовые значения: 1024 х 768, 1280 x 1024. Иногда задается параметр – размер точки экрана. Обычно он составляет десятые доли миллиметра, например, 0,2 мм. Количество цветов определяется системой: монитор-видеокарта. Часто составляет миллионы цветов. Вопросы для самопроверки: 1. Дайте определение ЭВМ или компьютера. 2. Каково назначение ЭВМ или компьютера? 3. В каком году была предложена схема компьютера по фон Нейману? 4. Перечислите блоки, составляющие схему компьютера по фон Нейману. 5. В чем заключается принцип программного управления? 6. Перечислите состав устройств персонального компьютера. 7. Что такое системная (материнская) плата? 8. Перечислите основные характеристики персональных компьютеров. 9. Назовите основные элементы системного блока. 10. Чем определяется количество цветов изображения на экране монитора? 11. Чем отличается оперативная память компьютера от долговременной? 12. Какое назначение у видеокарты? Литература по теме: 1. Гуриков С.Р. Информатика: учеб. – М.: Форум, Инфра-М, 2017 г. – 464 с. 2. Симонович С. В. Информатика. Базовый курс: учеб. для вузов. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2011. – 640 с. 3. Хлебников А.А. Информационные технологии: учеб. – М.: Кнорус. 2014 г. – 472 с. Интернет-ресурсы: 1. Беляев М.А., Малинина Л.А., Лысенко В.В. Основы информатики: учебник для вузов. – Режим доступа: http://www.rulit.me/books/osnovy-informatiki-uchebnik-dlya-vuzov-read-210823-1.html 2. Портал Информационно-коммуникационные технологии в образовании. – Режим доступа: http://www.ict.edu.ru Тема 4. Алгоритмы и программы Цель и задачи: рассмотреть основные понятия алгоритмизации и программирования, освоить методы составления алгоритмов решения практических задач. Вопросы темы: 1. Понятие алгоритма. 2. Способы представления алгоритмов. 3. Свойства и типы алгоритмов. 4. Программы. Вопрос 1. Понятие алгоритма. Алгоритм является не только одним из главных понятий математики, но одним из главных понятий современной науки. Более того, алгоритм – одно из основополагающих понятий в информатике. Название «алгоритм» произошло от латинской формы имени величайшего среднеазиатского математика Мухаммеда ибн Муса ал-Хорезми (Alhorithmi), жившего в 783-850 гг. В своей книге «Об индийском счете» он изложил правила записи натуральных чисел с помощью арабских цифр и правила действий над ними («столбиком», в нашем понимании – алгоритмы). В XII веке эта книга была переведена на латынь и получила широкое распространение в Европе. И когда в ХХ веке возникла необходимость в наименовании набора последовательных операций, связанных с вычислениями, европейские ученые и назвали этот набор в честь ал-Хорезми алгоритмом. В математике для решения типовых задач мы используем определенные правила, описывающие последовательности действий. Например, правила сложения дробных чисел, решения квадратных уравнений и т.д. Обычно любые инструкции и правила представляют собой последовательность действий, которые необходимо выполнить в определенном порядке. Для решения задачи надо знать, что дано, что следует получить и какие действия, и в каком порядке следует для этого выполнить. Предписание, определяющее порядок выполнения действий над данными с целью получения искомых результатов, и есть алгоритм. Итак,алгоритм– это система точных и понятных предписаний о содержании и последовательности выполнения конечного числа действий для решения задачи. Вопрос 2. Способы представления алгоритмов. Алгоритмы могут быть представлены в виде формулы, таблицы, графического или словесного описания, а также описания на специальных алгоритмических языках и языках программирования. Представление в виде формулы очевидно. Например, формула корня квадратного уравнения дает нам правило вычисления результата (т.е., алгоритм), исходя из значений коэффициентов квадратного трехчлена. А известная с начальных классов таблица умножения дает алгоритм получения произведения сомножителей, записанных в первом столбце и первой строке таблицы. Для графического представления алгоритмов используются блок-схемы, содержащие обозначения конкретных действий над данными, применяемыми в вычислениях (Таблица 1). Таблица 1.
Словесный способ записи алгоритма чрезвычайно прост. Он содержит словесные описания последовательности действий для решения задачи. Например. Записать алгоритм нахождения наибольшего общего делителя двух натуральных чисел (алгоритм Эвклида): 1. Задать два числа. 2. Если числа равны, то взять любое из них в качестве ответа и остановиться, в противном случае продолжить выполнение алгоритма. 3. Определить большее из чисел. 4. Заменить большее из чисел разностью большего и меньшего из чисел. 5. Повторить алгоритм с шага 2. При словесно-формульном способе алгоритм записывается в виде текста с формулами по пунктам, определяющим последовательность действий. Например, необходимо найти значение следующего выражения: у=2а - (х+6). Словесно-формульным способом алгоритм решения этой задачи может быть записан в следующем виде: 1. Ввести значения а и х. 2. Сложить х + 6. 3. Умножить а х 2. 4. Вычесть из 2а сумму (х+6). 5. Вывести у как результат вычисления выражения. Для задания алгоритма необходимо описать следующие его элементы: набор объектов, составляющих совокупность возможных исходных данных, промежуточных и конечных результатов; правило начала; правила непосредственной переработки информации (описание последовательности действий); правило окончания; правило извлечения результатов. Алгоритмический язык (или псевдокод) представляет собой систему обозначений и правил, предназначенную для единообразной записи алгоритмов. Псевдокод занимает промежуточное место между естественным и формальным языками. С одной стороны, он близок к обычному естественному языку, поэтому алгоритмы могут на нем записываться и читаться как обычный текст. С другой стороны, в псевдокоде используются некоторые формальные конструкции и математическая символика, что приближает запись алгоритма к общепринятой математической записи. В псевдокоде не приняты строгие синтаксические правила для записи команд, присущие формальным языкам, что облегчает запись алгоритма на стадии его проектирования и дает возможность использовать более широкий набор команд, рассчитанный на абстрактного исполнителя. Однако в псевдокоде обычно имеются некоторые конструкции, присущие формальным языкам, что, в свою очередь, облегчает переход от записи на псевдокоде к записи алгоритма на формальном языке. В частности, в псевдокоде так же, как и в формальных языках, есть служебные слова, смысл которых определен раз и навсегда. Они выделяются в печатном тексте жирным шрифтом, а в рукописном тексте подчеркиваются. Единого или формального определения псевдокода не существует, поэтому возможны различные псевдокоды, отличающиеся набором служебных слов и основных (базовых) конструкций. Алгоритм на алгоритмическом языке в общем виде записывается в форме: алг <название алгоритма (аргументы и результаты)> дано <условия применимости алгоритма> надо <цель выполнения алгоритма> нач <описание промежуточных величин> последовательность команд <тело алгоритма> кон Часть алгоритма от слова алг до слова нач называется заголовком, а часть, заключенная между словами нач и кон, — телом алгоритма. В предложении алг после названия алгоритма в круглых скобках указываются характеристики (арг, рез) и тип значения (цел, вещ, сим, лит или лог) всех входных (аргументы) и выходных (результаты) переменных. При описании массивов (таблиц) используется служебное слово таб, дополненное граничными парами по каждому индексу элементов массива. Примеры предложений алг: алг Объем и площадь цилиндра (арг вещ R, H, рез вещ V, S) алг Корни КвУр (арг вещ а, b, c, рез вещ x1, x2, рез лит t) алг Исключить элемент (арг цел N, арг рез вещ таб А[1:N]) алг Диагональ (арг цел N, арг цел таб A[1:N, 1:N], рез лит Otvet) Вопрос 3. Свойства и типы алгоритмов. Если вычислительный процесс заканчивается получением результатов, то говорят, что соответствующий алгоритм применим к рассматриваемой совокупности исходных данных. В противном случае говорят, что алгоритм неприменим к совокупности исходных данных. Любой применимый алгоритм обладает следующими основными свойствами: а) дискретностью; б) определенностью; в) результативностью; г) массовостью. Дискретность – последовательное выполнение простых или ранее определённых (подпрограммы) шагов. Преобразование исходных данных в результат осуществляется дискретно во времени. Определенность состоит в совпадении получаемых результатов независимо от пользователя и применяемых технических средств (однозначность толкования инструкций). Результативность означает возможность получения результата после выполнения конечного количества операций. Массовость заключается в возможности применения алгоритма к целому классу однотипных задач, различающихся конкретными значениями исходных данных (разработка в общем виде). Существуют три основные структуры алгоритмов: 1. Линейная. 2. Разветвляющаяся. 3. Циклическая. В алгоритмах линейной структуры все действия выполняются последовательно (рис. 6).  Рис. 6. Линейная структура алгоритма Рассмотрим пример. Заданы две стороны (катеты) прямоугольного треугольника – а и в. Требуется составить алгоритм вычисления гипотенузы по формуле:  Результат решения представлен на рисунке 7.  Рис. 7. Блок-схема алгоритма расчета длины гипотенузы В алгоритмах разветвляющейся структуры переход к следующей операции зависит от результата проверки некоторого заданного условия (рис. 8).  Рис. 8. Разветвляющаяся структура алгоритма Рассмотрим пример. Требуется напечатать четные цифры в интервале от 0 до 10 красным цветом, а нечетные – черным. Решение: 1. Ввод Х = 0, 1, 2, …, 10. 2. Проверка условия Х – чётно или нечётно? 3. Если чётно: печатаем Х красным. 4. Если нечётно:печатаем Х черным. Блок-схема алгоритма приведена на рисунке 9.  Рис. 9. Блок-схема алгоритма В алгоритмах циклической структуры отдельные операции могут циклически повторяться в зависимости от результата проверки заданного условия (рис. 10).  Рис. 10. Циклическая структура алгоритма В реальных условиях алгоритмы содержат большое число фрагментов различных структур. Алгоритм всегда рассчитан на конкретного исполнителя. В нашем случае таким исполнителем является ЭВМ. Для обеспечения возможности реализации на ЭВМ алгоритм должен быть описан на языке, понятном компьютеру, то есть на языке программирования. Вопрос 4. Программы. Рассмотренные ранее способы описания алгоритмов «грешат» существенным недостатком: записи предписаний не могут непосредственно восприниматься машиной и в дальнейшем выполняться. Поэтому они используются только для предварительной работы с алгоритмом в расчете на то, что существуют средства описания алгоритмов, применяя которые можно ввести символы алгоритма в память ЭВМ и затем выполнить заданные предписания для получения искомых результатов. Средствами такого описания алгоритмов являются языки программирования, позволяющие на основе строго определенных правил формировать последовательность предписаний, однозначно отражающих смысл и содержание частей алгоритма с целью их последующего исполнения на ЭВМ. Понятия алгоритма и программы разграничены не очень чётко. Обычно программой называют окончательный вариант алгоритма решения задачи, ориентированный на конкретного пользователя. Таким образом, можно дать следующее определение программы для ЭВМ: Программа – это описание алгоритма и данных на некотором языке программирования, предназначенное для последующего выполнения на компьютере. Языкпрограммирования – это формальный, искусственный язык, предназначенный для представления алгоритмов в виде, пригодном для выполнения ЭВМ. Различают языки программирования низкого уровня (ассемблеры) и высокого уровня (Бейсик, Паскаль и др.). Языки низкого уровня близки к языку машинных команд, а языки высокого уровня имитируют естественные языки, используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы. Эти языки более удобны для человека. Вот пример фрагмента программы на языке Бейсик: 1. program имя (ввод, вывод); 2. program echo (input, output); 3. описания; var n: integer; BEGIN; 4. BEGIN оператор; 5. write('число?');оператор;read(n);операторwrite(n)END. Каждый язык программирования, равно как и «естественный язык» (русский, английский и т.д.), имеет алфавит, словарный запас, свои грамматику и синтаксис, а также семантику. Алфавит – фиксированный для данного языка набор основных символов, допускаемых для составления текста программы на этом языке. Синтаксис – система правил, определяющих допустимые конструкции языка программирования. Семантика – система правил однозначного толкования отдельных языковых конструкций, позволяющих воспроизвести процесс обработки данных. Вопросы для самопроверки: 1. Что называется алгоритмом решения задачи? 2. Каково происхождение термина «алгоритм»? 3. Назовите свойства алгоритмов. 4. Перечислите способы представления алгоритмов. 5. Что представляет собой алгоритмический язык? 6. Назовите виды структур алгоритмов. 7. В чем состоит суть разветвляющегося алгоритма? 8. В чем заключается суть циклического алгоритма? 9. Что такое компьютерная программа? 10. Назовите примеры языков программирования высокого уровня. 11. Назовите составляющие языка высокого уровня. 12. Что такое семантика языка? Литература по теме: 1. Гуриков С.Р. Информатика: учеб. – М.: Форум, Инфра-М, 2017 г. – 464 с. 2. Сергеева И.И., Музалевская А.А., Тарасова Н.В. Информатика. – 2 изд. – М: Инфра-М, Форум, 2017. – 384 с. 3. Трофимов В.В. Информатика: учеб. – в 2-х т. – СПб.: Юрайт, 2016. – 406 с. Интернет-ресурсы: 1. Официальный сайт компании Microsoft. – Режим доступа: http://www.microsoft.com 2. Портал Информационно-коммуникационные технологии в образовании. – Режим доступа: http://www.ict.edu.ru 3. Федеральный портал «Единое окно доступа к образовательным ресурсам». – Режим доступа: http://window.edu.ru |
