Инфа 1 курс, 1 сем, ПММ. Для экза по инфе. Обзор современных компьютерных наук
 Скачать 43.51 Kb.
|
" - инвертирует каждый разряд в двоичном представлении операнда (поразрядное отрицание);Компьютерная наука – основа теоретических и практических знаний, используемых специалистами в области вычислительной техники, программирования, информационных систем и технологий. Разделы компьютерных наук: ‒ Архитектура компьютера Цифровая логика Булева алгебра Теория кодирования Аппаратные методы записи и хранения информации ‒ Операционные системы и сети – исследовательский механизм управления … координирующий работу вычислительных ресурсов, распределенных по компьютерным системам в локальных и глобальных сетях. ‒ Алгоритмы и структуры данных Теория алгоритмов Теория вычислимости Теория параллельных вычислений Теория распознавания образов Криптография Теория графов и т.п. ‒ Языки программирования – изучают системы обозначений для записи данных и алгоритмов ‒ Разработка ПО – раздел связан с созданием больших программ систем, удовлетворяющих заданным спецификациям, требованиям надежности и безопасности ‒ База данных и информационный поиск системы – раздел связан с организацией больших наборов сохраняемых и совместно используемых данных, допускающих обновление и эффективное выполнение запросов ‒ Искусственный интеллект и робототехника – включает моделирование процессов познания мира живыми существами с целью создания программно-аппаратных систем, способных имитировать или усиливать эти процессы ‒ Компьютерная графика – связана с визуальными представлениями данных и виртуальных объектов с имитацией движения на двумерном экране или трехмерной голограмме ‒ Взаимодействие человека и компьютера – изучаются вопросы эффективной координаций действий и передачи информации между людьми и машинами с помощью устройств, имитирующих действия человека, а также информационные структуры, отражающие человеческие представления об окружающем мире ‒ Вычислительная математика – связана с численными решениями математических задач ‒ Компьютерная алгебра – разрабатывает и изучает методы символьных математических вычислений Устройство компьютера. Логическая схема его работы Основные части ПК: ‒ Системный блок ‒ Клавиатура и мышь ‒ Монитор Основные узлы системного блока: ‒ Электронные схемы, управляющие работой компьютера: микропроцессор, оперативная память ‒ Блок питания – преобразует питание сети в постоянные ток низкого напряжения, подающийся на электронные схемы компьютера ‒ Накопители на съемных устройствах ‒ Накопитель на жестком диске ( винчестер ) Микропроцессор ( главный элемент компьютера ) – небольшая электронная схема, выполняющая все основные функции и управляющая передачей информации Оперативная память ( еще один важнейший элемент ( RAM) ) – из неё процессор берет программы во время работы и исходные данные для обработки, в неё же записываются результаты работы При выключении компьютера содержимое RAM стирается, поэтому существует внешняя память, представленная винчестером и другими видами дисков и накопителей Вывод – перемещение информации из оперативной памяти во внешнюю память и другие устройства Ввод – перемещение инфы в RAM Время доступа к памяти внешних устройств существенно превышает время работы RAM, что окупается относительной дешевизной первых Ввод/вывод информации не происходит непосредственно – между любым устройством и RAM есть два (2) звена ‒ Устройство управления ( контроллер ) ‒ Системная магистраль передачи данных ( шина ) ИТОГ: по сигналу микропроцессора компьютера программа вводится в оперативную память посредством системной шины с помощью контроллера устройства ( обычно винчестер ), затем микропроцессор выполняет операции закодированные в программе, периодически обращаясь за вводом или выводом информации, содержащей исходные или результирующие данные. После окончания выполнения программы, она удаляется из памяти. Представление информации в компьютере Компьютерные программы и обрабатываемые данные располагаются в памяти ‒ бит – элементарная единица компьютерной памяти, в которой может содержаться 1 или 0 ‒ байт - стандартная единица памяти, которая содержит 8 бит Упрощенно оперативная память компьютера представляет собой последовательность байт, пронумерованные, начиная с 0. Номер байта является его адресом Слово – более крупная единица памяти ( 2 байта ) Двойное слово – 4 байта Поскольку информация, хранящаяся во внешней памяти компьютера, в процессе ввода и вывода передается в оперативную память, то внешняя память также может рассматриваться как 0 и 1. Однако из-за больших объемов информации во внешней памяти группируют большими логическими блоками, которые называют файлами Файловая система – избранный способ расположения файлов на внешнем носителе. Классификация программ. Основные категории: Системные программы – программы низкого уровня (управления компьютером, запуском других программ, проверяющие работоспособность устройств) Инструментальные системы – системы разработки, обеспечивающие создание новых программ Прикладные программы – программы высокого уровня ( обеспечивающие выполнение пользовательских работ ) Среди всех программ особое место занимают OC. Любая программа пользуется услугами ОС и поэтому может работать под управлением той ОС, которая обеспечивает для неё эти услуги Таким образом, выбор ОС определит, с каким программами пользователь сможет работать на компьютере От выбора ОС также зависит производительность работы и степень защиты данных, возможности использования аппаратных средств На компьютере с процессорами intel ia-32, ia-64 наиболее распространены системы ms dos, содержащие минимальные возможности, но наименее требовательные к конфигурации компьютера OC Unix – многозадачная OC с повышенной надежностью и нетребовательная к ресурсам компьютера, но с неразвитым интерфейсом пользователя Windows 3.1 – оконный интерфейс относительно нетребовательный к аппаратуре Windows 95, 98 - системы для домашнего использования Windows NT, 2000, XP, 2003, Vista, 7, 8 – профессиональные OC Windows 10 и т.д. OS/2 Warp Mac OS Linux – основан на технологии Unix Важнейшим классом системных программ являются драйверы, они расширяют возможности OC, позволяя ей работать с внешними устройствами, обучая её новому способу обмена данными Драйверы поставляются вместе с новыми устройствами или контроллерами Еще один класс системных программ составляют программы оболочки, обеспечивают удобный способ взаимодействия с компьютером. Windows Commander К системным программам также относится большое количество утилит – программ вспомогательного назначения. Сюда можно отнести программы резервирования данных, антивирусы, архиваторы, русификаторы, программы для диагностики и т.д. Разработаны и используются следующие прикладные программы для различных применений: ‒ Редакторы текста ‒ Табличные процессоры ‒ Издательские системы ‒ Системы управления базами данных (СУБД) - обрабатывают большие массивы связной инфы ‒ Программы создания презентаций ‒ Программы экономического назначения ‒ Графические редакторы ‒ Системы автоматизированного проектирования (САПР) – программы конструирования предметов и механизмов ‒ Программы для статистического анализа данных ‒ Компьютерные игры, обучающие программы, электронные справочники и т.д. Программы по способу распространения делятся на: ‒ коммерческие ‒ условно-бесплатные ‒ бесплатные Алгоритмы и средства их записи Алгоритмы – упорядоченный набор недвусмысленных и выполнимых этапов, определяющих некоторый конечный процесс. В применении к компьютерам рассматриваются вычислительные алгоритмы В этом смысле, алгоритм – это формально описанная вычислительная процедура, получающая исходные данные, называемые входом алгоритма, и выдающая результат вычислений на выход Существует важное различие между алгоритмом и средством его записи. Компьютерная программа является одним из возможных представлений некоторого алгоритма С вычислительными алгоритмами, ориентированными на современную архитектуру компьютера, связано три основных понятия ‒ данные ‒ операции ‒ управляющая структура Каждый алгоритм можно рассматривать как описание множества операций, которые необходимо применить к некоторым данным в заданной последовательности Используемые виды данных и операций в алгоритмах определяются классами решаемых задач и технологией, применяемой для их решений В качестве элементов данных могут быть использованы константы, переменные, массивы, структуры, множества, объекты Операции бывают ‒ элементарные ( арифметические, логические, присваивания) ‒ сложные ( построенные на основе элементарных ) Управляющие структуры задают последовательность применения операций к данным В алгоритмах рассматриваемого типа применяются 4 управляющие структуры: ‒ цепочка ‒ ветвление ‒ цикл ‒ процедура Цепочка – задает последовательный порядок выполнения нескольких операций, каждая операция начинается после завершения предыдущей Ветвление – указывает несколько возможных путей последующего выполнения алгоритмов, выбор зависит от некоторого условия Цикл – задает последовательное многократное выполнение одной и той же операции с возможным изменением некоторых параметров, пока выполнено указанное условие Процедура – объединение нескольких операций, рассматриваемое как одна сложная операция. Описывается один раз, а обращение к ней, как к операции, осуществляется по имени Управляющие структуры могут быть вложенными. Частным случаем вложенности является рекурсия, когда процедура, в качестве операции, содержит обращение к самой себе Средства записи алгоритмов – система обозначений, предназначенная для неформального представления идеи в процессе разработки алгоритмов Классическими представителями графических средств записи алгоритмов являются блок-схемы. На этих схемах для изображения отдельных этапов выполнения алгоритма используются геометрические фигуры, соединенные стрелками, указывающими порядок выполнения этапов. Различные виды фигур отражают различные виды деятельности К текстовым средствам записи алгоритмов относится псевдо-код. Он создается обычно путем ослабления правил того языка программирования, на котором требуется написать окончательный вариант программы. При этом псевдокод может состоять из конструкций, аналогичных конструкциям целевого языка, но не столь формализованных + Языки программирования. Классификация. Реализация языков Язык программирования (ЯП) – строго формализованная система обозначений для описания данных и алгоритмов Различают языки высокого и низкого уровней К низкому уровню относятся ассемблеры, существенно не отличающиеся от машинных языков, позволяя записывать коды машинных команд буквенными обозначениями. Соответственно, на ЭВМ каждого типа есть свой ассемблер Эти языки применяются в основном в тех случаях, когда необходимо экономить ресурсы или полнее использовать возможности машины Языки высокого уровня более близки к разговорному языку. Они в отличие от ассемблеров обычно являются машинно-независимыми Языки высокого уровня делятся на 4 типа ‒ Императивные ( процедурные ) ‒ Функциональные ( прикладные ) ‒ Логические ‒ Объектно-ориентированные Императивные – выражают традиционный подход к процессу программирования, ориентированы на запись вычислительных алгоритмов. Эти языки определяют программирование как написание последовательности операторов при выполнение обрабатывающие данные для получения нужного результата ( Basic, Fortran, C, Pascal, Ada ) В функциональных ЯП вычисления обычно производятся путем применения функций к заданным параметрам. Языковые конструкции состоят из элементарных функций, на основе которых создают более сложные ( Lisp, Haskell ) Логические ЯП основываются на продукционных правилах «предпосылок-заключений» Заключение указывает действие, которое нужно сделать, если верна предпосылка. В таких программах не задается порядок применения правил, и система реализации языка должна сама выбрать последовательность, приводящую к желаемому результату ( Prolog ) Объектно-ориентрованные ЯП, реализующие методы ООП, являются развитием императивных. В этих языках используемые данные рассматриваются как активные объекты, содержащие не только совокупность данных, но и процедуры их обработки (Smalltalk, C++, Java, C#, Objeckt Pascal, Ada 95 ) В настоящее время наблюдается тенденция к сочетанию парадигм в рамках одного языка Такие языки называются мультипарадигмальными ( мультипарадигма ) ( Scala, F#, Python ) Для того, чтобы на ЯП можно было программировать, требуется реализация этого языка на компьютере Методы реализации ЯП ‒ Исходная программа на ЯП в результате обработки специальной программой переводится в машинный язык, после чего может непосредственно выполняться компьютером – такая реализация называется компиляцией, а программа – компилятором ‒ Трансляция – процесс перевода с 1 языка на другой ( просто метод ) ‒ Программа на ЯП без трансляции непосредственно выполняется другой программой – интерпретатором, который программно моделирует работу машины, понимающей, используемый ЯП. Метод – интерпретация ‒ Смешанный метод реализации, в котором программа на языке транслируется в промежуточный язык, разработанный для обеспечения более легкой интерпретации Этапы обработки программ. Среда разработки Машинный код, генерируемый компилятором при обработке файла программы, может выполняться непосредственно аппаратурой компьютера. Однако обычно требуется, чтобы он выполнялся вместе с другими программами, среди которых могут быть части ОС , реализующие некоторые стандартные функции, предварительно откомпилированные пользовательские программы, находящие в библиотеках стандартных программ, модули данной программы параллельно разрабатываемые другими программистами. Поэтому прежде чем созданная компилятором программа на машинном языке будет выполняться, требуется найти и связать с ней другие, необходимые её части и программы Такая готовая к выполнению объединенная программа называется загрузочным модулем А сам процесс сборки и настройки её внутренних связей называется редактированием связей и производится специальной программой – линкером. Запись в память компьютера готовой к выполнению программы называется загрузкой, и осуществляется загрузчиком, являющимся обычно частью ОС. После загрузки запускается выполнение программы. Как правило, при первых запусках получаются неверные результаты, поэтому следующим этапом обработки программы является отладка – поиск и исправление ошибок. Ошибки допущенные при разработке делят на 3 вида ‒ Нарушение правил языка – обнаруживаются на этапе компиляции ‒ Фатальные ошибки вычислений – невозможно нормальное продолжение выполнения программы. О наличии таких ошибок сообщает ОС ‒ Скрытые ошибки в алгоритмах – для их выявления проводится тестирование, т.е. выполнение программы с различными вариантами исходных данных, для которых результат заранее известен Таким образом, решение задач состоит из следующих этапов: ‒ Разработка алгоритма ‒ Запись его на ЯП ‒ Тестирование и отладка ‒ Для запуска программы, текст которой внесены изменения, необходимо осуществить компиляцию, редактирование связей и загрузку. Эти действия может обеспечить использование среды разработки Среда разработки – совокупность программных инструментов, используемых при создании ПО. Обычно содержит: ‒ текстовый редактор ‒ компилятор ЯП ‒ редактор связей Также включает ‒ библиотеки готовых программных модулей ‒ дополнительные средства, поддерживающие единообразный способ общения с пользователем ( визуальные средства, программы отладки ) Простейшие элементы языка Особенности языка C++ ‒ Включает в качестве подмножества эффективный процедурный язык C ‒ Является объектно-ориентированным ‒ Имеет лаконичный и гибкий синтаксис ‒ Во многих аспектах не содержит строгого контроля данных ‒ Обладает мощными возможностями обобщенного программирования Простейшие элементы языка Алфавит, образованный основными неделимыми знаками ( символами ), с помощью которых пишутся все тексты на языке Лексема – минимальная единица языка, имеющая самостоятельный смысл Выражение – задает правило вычисления значения Оператор – содержит завершенное описание определенного действия Для писания сложных действий требуется последовательность операторов ( блок ), рассматриваемая как один сложный оператор Операторы бывают ‒ выполнимые ( задает действия над данными или их порядок) ‒ невыполнимые ( служат для описания данных ) Объединенная единым алгоритмом совокупность описаний и операторов образует программу Язык C++ является компилируемым. Для выполнения программы её необходимо перевести на язык понятный процессору Этот процесс состоит из нескольких этапов: ‒ Вначале исходная программа передается предпроцессору, который выполняет содержащиеся в её тексте директивы, формируя полный текст программы. Полученный текст поступает на вход компилятора, который выделяет лексемы и на основе грамматики языка распознает выражения и операторы, построенный их этих лексем. При этом компилятор выявляет синтаксические ошибки, и если они отсутствуют, строит объектный модуль. Затем компоновщик или редактор связей формирует выполняемый модуль программы, подключая к объектному модулю другие. Если программа состоит из нескольких исходных файлов, они компилируются отдельно и объединяются на этапе компоновки Обычный выполняемый модуль имеет расширение “exe” и может быть выполнен после загрузки в память Алфавит C++ ‒ Латинские буквы, знак _ ‒ Арабские цифры ‒ Специальные знаки ‒ Пробельные символы ( пробел, табуляция, переход на новую строку ) Из символов формируются лексемы ‒ идентификаторы ‒ ключевые слова ‒ знаки операций ‒ константы ‒ разделители Границы лексем определяются разделителями или знаками операций. Идентификатор – имя программного элемента, присвоенное ему программистом. Состоит из: ‒ латинских букв ‒ цифр ‒ знака _ !!! Не начинается с цифры В целях улучшения читаемости программы, идентификаторы должны быть осмысленными Существует согласование о правилах создания имен – венгерская нотация – каждое слово, составляющее идентификатор, начинается с прописной буквы, а вначале ставится префикс, соответствующий типу величины. ИЛИ – разделять слова Длина идентификатора по стандарту C++ не ограничена, но некоторые компиляторы её ограничивают Идентификатор создается в момент его объявления Необходимо учитывать при выборе идентификатора ‒ уникальность ‒ НЕ начинать с _ ‒ на идентификаторы внешних переменных налагаются ограничения компоновщика Ключевые слова – зарезервированные идентификаторы, имеющие специальные значения для компилятора. Знак операции – 1 и более символов, определяющие действия над данными По количеству операндов операции делятся на ‒ унарные ‒ бинарные ‒ тернарные Один и тот же знак может интерпретироваться по-разному. В C++ все знаки операции, кроме [ ] ( ) ? : , представляют собой лексемы. Константы – постоянные величины C++ различает целые, вещественные, символьные, строковые и логические константы. Компилятор, выделив константу как лексему, относит её к одному из типов по внешнему виду. Целые константы – десятичные, восьмеричные, шестнадцатеричные Вещественные – пишутся с фиксированной и плавающей точкой Символьные константы ( литералы ) из одного символа весят 1 байт – char 2-x символьные константы – 2 байта – short. При этом первый символ лежит в байте с меньшим адресом. Любой символ может представляться своим кодом со знаком слеш ‘\074’ Существует еще ряд управляющих символов, используемых при вводе выводе Строковые константы ( строки, строковые литералы ) состоят из ?????? В конце каждой строковой константы компилятор добавляет 0. Поэтому длина строки всегда на единицу больше. Запись строковой константы может переноситься на следующую строку К логическим константам – true, false . Программа на C++ может содержать текст не влияющий на её работу, а только комментирующий её. Комментарий // занимает строку справа /* */ - многострочный комментарий Типы данных Каждый элемент данных относится к определенному типу, что и определяет способ хранения в памяти и методы обработки. Типы данных определяют ‒ Внутреннее представление данных ‒ Множество значений, которые могут принимать величины ‒ Операции которые можно к ним применить Все типы языка С++ делятся на основные и составные ‒ 6 основных типов: целые, вещественные, символьные и логические На их основе вводят описание составных – массивы, перечисления, функции, структуры, ссылки, указатели, объединения, классы Основные типы данных – также называют арифметическими Ключевые слова – int, char, bool, wchar – целочисленные, float, double – с плавающей точкой Есть четыре спецификатора типа – short, long, signed, unsigned – уточняющих представление и диапазон значений типов Размер int – не определен Для 16-разрядых – 2 байта Для 32-разрядных – 4 байта Для 64-разрядных – 8 байт Short перед именем – 2 байта, вне зависимости от процессора Long – 4 байта, для 64-разрядных процессоров существует тип long long Внутреннее представление целочисленной величины – целое число в двоичном коде Signed – старший бит числа интерпретируется как знаковый, unsigned – позволяет предопределять числа только большие нуля, т.к. старший разряд рассчитывается как часть кода числа По умолчанию все int считаются знаковыми Константам приписывается тип равный их виду. Если этот тип не устраивает, можно неявно указать тип с помощью суффиксов L | U ( long, unsigned ) Под величину символьного типа отводится один (1) байт Тип short со знаком -128…128, без знака 0…255 Величины типа char хранят также целые числа, не превышающие границы указанных диапазонов. Wchar-t – работает с набором символов, для которых мало одного (1) байта. Размер зависит от реализации соотношения, равного типу short ( L “Gates” ) Величины логического типа true\false Внутренне представление – false = 0, все что отлично от 0 – true. C++ имеет три типа данных, float, double, long double С плавающей точкой – double по умолчанию можно явно указать тип константы с помощью f | l ● Структура программы. Ввод вывод. Программа на языке c++ состоит из функций,описаний,директив и пре-процесса.Простейшее определение функций имеет следующий формат : тип_возвращаемого_значения([параметры] {операторы,составляющие ф-ции}). Основные сведения о функциях 1)Если функция не должна возвращать значения указывается тип void. 2)Тело функции является блоком и заключается в фигурные скобки. 3)В с++ функции не могут быть вложенными. 4)каждый оператор кроме составного заканчивается точкой с запятой,которая считается его частью. В программе одна из ф-ций должна иметь тип main. Выполнение программы начинается с первого оператора этой функции.Программа может состоять из нескольких модулей или исходных файлов. В языке с++ нет встроенного ввода вывода,они осуществляются с помощью функци и объектов,которые содержатся в стандартных библиотеках. Используются функции которые унаследованы из языка С: int scanf(consolt char*format,...)\\ввод int printf(const char*format,...)\\вывод #include SetConsoleOutputCP(1251) - для русских символов Консольный метод: cin >> " "; - ввод cout << " "; - вывод Файловый метод: Классы - ifstream,ofstream,fstream. Класс ofstream используется для записи файлов: (ofstream out("input.txt";) Класс ifstream используется для чтения данных из файла: (ifstream in("input.txt";)Ф Функция close используется для закрытия файла: (out.close();) Класс fstream используется, если пользователь вводит и выводит данные из файла. ● Переменные и выражения. Переменная - это именованная область в памяти, предназначенная для хранения данных определённого типа. Имя переменной является постоянным, а значение может меняться. Перед использованием любая переменная должна быть описана: (int a) (указать тип и имя). Общий вид : [класс памяти] [const] тип имя [инициализатор]; const сообщает, что значение переменной менять нельзя. Такая переменная называется именованной константой или просто константой. При описании переменной можно сразу указать начальное значение - это инициализация. Описание переменной задаёт её область действия. Область действия идентификатора - это часть программы, в которой его можно использовать для доступа к связанной с ним памяти. В зависимости от области действий переменная может быть либо локальной, либо глобальной. Если переменная определена внутри блока - она называется локальной, и область её действия от точки описания и до конца блока,включая все вложенные блоки. Если переменная определена вне блока, то она называется глобальной, и область её действия - это файл в котором она определена. Класс памяти определяет время жизни и область видимости программного объекта. Время жизни может быть постоянным или временным. Для задания класса памяти используются спецификаторы: 1)auto - автоматическая переменная, время жизни с момента описания - до конца блока. 2) extern - внешняя переменная, то есть переменная определяется в другом месте программы и обычно используется для создания переменных доступных из различных модулей. 3) static - статическая переменная, время её жизни постоянно,на протяжении всей работы программы. Глобальные статические переменные видны только в том модуле, в котором описаны. 4) register - память для такой переменной выделяется в регистре процессора. Если при описании значения переменных не заданы, то компилятор присваивает к глобальным и статическим переменным нулевое значение, а автоматические переменные не инициализируются. Описание константы или переменной может выполняться в форме объявления или определения. Объявление информирует компилятор о типе и классе памяти, а определение помимо этого даёт указание компилятору выделить память в соответствии с типом. Переменная может быть объявлена многократно, но определена только в одном месте программы. Операции Операции делятся на унарные, бинарные и тернарные. Унарные: ++ - инкремент (увеличение на 1) -- - декремент (уменьшение на 1) Префиксная запись: ++i Постфиксная: i++ В префиксной форме сначала изменяется операнд, потом его значение становится результирующим выражением,а в постфиксной форме значением выражения является исходное значение операнда, после чего он изменяется. Операндом инкремента в общем случае должно быть L-значение. В C++ так называется любое выражение, адресующее некоторый участок памяти, в который можно занести значение. В С++ вызов функции считается операцией. Операция определения размера: sizeof. Операция отрицания: "-", "!", " |