Ответы на вопросы (исправл.). Вопрос Кодирование числовой и символьной информации двоичным кодом Кодирование числовой информации
 Скачать 120 Kb.
|
|
Вопрос 1. Кодирование числовой и символьной информации двоичным кодом Кодирование числовой информации Числовая информация, как и любая другая, хранится и обрабатывается в компьютерах в двоичной системе счисления – числа представляются в виде последовательностей нулей и единиц. Существуют два вида чисел и два способа их представления: форма с фиксированной точкой и форма с плавающей точкой. Форма с фиксированной точкой применяется для целых чисел, форма с плавающей точкой – для вещественных (действительных) чисел. Целые числа в компьютере хранятся в памяти в формате с фиксированной запятой. В этом случае каждому разряду ячейки памяти соответствует всегда один и тот же разряд числа, а «запятая» «находится» справа после младшего разряда, то есть вне разрядной сетки. Для хранения целых неотрицательных чисел отводится одна ячейка памяти (8 битов). Например, число 24010 = 111100002 будет храниться в ячейке памяти следующим образом (рисунок 1):  Рисунок 1 – Представление числа 24010 в ячейке памяти Для хранения целых чисел со знаком отводится две ячейки памяти (16 битов), причем старший (левый) разряд отводится под знак числа (если число положительное, то в знаковый разряд записывается 0, если число отрицательное – 1). Представление в компьютере положительных чисел с использованием формата «знак-величина» называется прямым кодом числа. Примеры: Число 3910 = 1001112 будет представлено в 16-разрядном представлении следующим образом (рисунок 2):  Рисунок 2 – Представление числа 3910 в ячейке памяти Число 200210 = 111110100102 будет представлено в 16-разрядном представлении следующим образом (рисунок 3):  Рисунок 3 – Представление числа 200210 в ячейке памяти Вещественные числа хранятся и обрабатываются в компьютере в формате с плавающей запятой. В этом случае положение запятой в записи числа может изменяться. Формат чисел с плавающей запятой базируется на экспоненциальной форме записи, в которой может быть qпредставлено любое число. Так число А может быть представлено в виде: A = m qn , где m – мантисса числа; q – основание системы счисления; n – порядок числа. Для единообразия представления чисел с плавающей запятой используется форма, при которой мантисса отвечает условию: 1/n≤|m|<1. Это означает, что мантисса должна быть правильной дробью и иметь после запятой цифру, отличную от нуля. Преобразуем десятичное число 555,55, записанное в естественной форме, в экспоненциальную форму: 555,55 = 0,55555. Здесь: мантисса: m = 0,55555, порядок: n = 3. Число в формате с плавающей запятой занимает в памяти компьютера 4 (число обычной точности) или 8 байтов (число двойной точности). При записи числа с плавающей запятой выделяются разряды для хранения знака мантиссы, знака порядка, порядка и мантиссы. Диапазон изменения чисел определяется количеством разрядов, отведенных для хранения порядка числа, а точность (количество значащих цифр) определяется количеством разрядов, отведенных для хранения мантиссы. Примеры: Представим число 25,12510 в формате с плавающей запятой: переведем число 25,12510 в двоичную систему счисления: 25,12510 = 11001,0012; запишем в форме нормализованного двоичного числа: 11001,0010000000000000002 = 0,110010012 102101; запишем представление числа в ячейке памяти (рисунок 4):  Рисунок 4 – Представление числа 25,12510 в ячейке памяти Представим число 250,187510 в формате с плавающей запятой: переведем число 250,187510 в двоичную систему счисления: 250,187510 = 11111010,00110000000000002; запишем в форме нормализованного двоичного числа: 0,111110100011000000000000 1021000; вычислим машинный порядок: М2 = 10002 + 10000002 = 10010002; запишем представление числа в ячейке памяти (рисунок 5):  Рисунок 5 – Представление числа 250,187510 в ячейке памяти Представим число 46,57810 в формате с плавающей запятой: переведем число 46,57810 в двоичную систему счисления: 46,57810 = 101110,1001001111110111112; запишем в форме нормализованного двоичного числа: 0,101110100100111111011111 10110; вычислим машинный порядок: М2 = 1102 + 10000002 = 10001102; запишем представление числа в ячейке памяти (рисунок 6):  Рисунок 6 – Представление числа 46,57810 в ячейке памяти Кодирование символьной информации Кодирование заключается в том, что каждому символу ставится в соответствие уникальный десятичный код от 0 до 255 или соответствующий ему двоичный код от 00000000 до 11111111. При вводе в компьютер символьной информации происходит ее двоичное кодирование, изображение символа преобразуется в его двоичный код. Традиционно для кодирования одного символа используется количество информации, равное 1 байту, то есть 1 байт=8 битов. Таким образом можно закодировать N различных символов: N=28= 256. Этого вполне достаточно для представления текстовой информации, включая прописные и строчные буквы русского и латинского алфавита, цифры, знаки, графические символы и пр. Пользователь нажимает на клавиатуре клавишу с символом, и в компьютер поступает определенная последовательность из восьми электрических импульсов (двоичный код символа). Код символа хранится в оперативной памяти компьютера, где занимает один байт. В процессе вывода символа на экран компьютера производится обратный процесс – декодирование, то есть преобразование кода символа в его изображение. Присвоение символу конкретного кода – это вопрос соглашения, которое фиксируется в кодовой таблице. Первые 33 кода (с 0 по 32) соответствуют не символам, а операциям (перевод строки, ввод пробела и так далее). Коды с 33 по 127 являются интернациональными и соответствуют символам латинского алфавита, цифрам, знакам арифметических операций и знакам препинания. Коды с 128 по 255 являются национальными, то есть в национальных кодировках одному и тому же коду соответствуют различные символы. Существуют различные кодовые таблицы для русских букв (КОИ8, СР1251, СР866, Mac, ISO), поэтому тексты, созданные в одной кодировке, не будут правильно отображаться в другой, потому, что одному и тому же двоичному коду в разных кодовых таблицах ставятся в соответствие различные символы.  О перекодировке текстовых документов заботится не пользователь, а специальные программы - конверторы, которые встроены в приложения. В настоящее время широкое распространение получил новый международный стандарт Unicode, который отводит на каждый символ не один байт, а два, поэтому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N=216=65536 различных символов. Эту кодировку поддерживает Microsoft Office. Вопрос 2. Операционные системы. Разновидности операционных систем, их краткая характеристика Общая характеристика операционных систем Операционные системы (ОС) – совокупность программных средств, осуществляющих управление ресурсами ЭВМ, запуск прикладных программ и их взаимодействие с внешними устройствами и с другими программами, а также обеспечивающих диалог пользователя с ЭВМ. Рассмотрим структуру ОС. Структуру ОС составляют следующие модули: базовый модуль (ядро ОС) – управляет работой программы и файловой системой, обеспечивает доступ к ней и обмен файлами между периферийными устройствами; командный процессор – расшифровывает и исполняет команды пользователя, поступающие прежде всего через клавиатуру; драйверы периферийных устройств – программно обеспечивают согласованность работы этих устройств с процессором (каждое периферийное устройство обрабатывает информацию по разному и в различном темпе); дополнительные сервисные программы (утилиты) – делают удобным и многосторонним процесс общения пользователя с компьютером. Файлы, составляющие ОС, хранятся на диске, поэтому система называется дисковой операционной (ДОС). Известно, что для их выполнения программы и, следовательно, файлы ОС должны находиться в оперативной памяти (ОЗУ). Однако, чтобы произвести запись ОС в ОЗУ, необходимо выполнить программу загрузку, которой сразу после включения компьютера в ОЗУ нет. Выход из этой ситуации состоит в последовательной, поэтапной загрузке ОС в оперативную память. Первый этап загрузки ОС. В системном блоке компьютера находится постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, постоянная память, ROM-Read Only Memory – память с доступом только для чтения), в котором содержатся программы тестирования блоков компьютера и первого этапа загрузки ОС. Они начинают выполнятся с первым импульсом тока при включении компьютера. На этом этапе процессор обращаются к диску и проверяет наличие на определенном месте (в начале диска) очень небольшой программы-загрузчика. Если эта программа обнаружена, то она считывается в ОЗУ и ей передается управление. Второй этап загрузки ОС. Программа – загрузчик, в свою очередь, ищет на диске базовый модуль ОС, переписывает его память и передает ему управление. Третий этап загрузки ОС. В состав базового модуля входит основной загрузчик, который ищет остальные модули ОС и считывает их в ОЗУ. После окончания загрузки ОС управление передается командному процессору и на экране появляется приглашение системы к вводу команды пользователя. Заметим, что в оперативной памяти во время работы компьютера обязательно должны находится базовый модуль ОС и командный процессор. Следовательно, нет необходимости загружать в оперативную память все файлы ОС одновременно. Драйверы устройств и утилиты могут подгружаться в ОЗУ по мере необходимости, что позволяет уменьшать обязательный объем оперативной памяти, отводимый под системное программное обеспечение. Рассмотрим задачи и функции ОС. Первая задача ОС – организация связи, общения пользователя с компьютером в целом и его отдельными устройствами. Такое общение осуществляется с помощью команд, которые в том или ином виде человек сообщает операционной системе. В ранних вариантах операционных систем такие команды просто вводились с клавиатуры в специальную строку. В последующем были созданы программы – оболочки ОС, которые позволяют общаться не только с ОС не только текстовым языком команд, а с помощью меню (в том числе пиктографического) или манипуляций с графическими объектами. Вторая задача ОС – организация взаимодействия всех блоков компьютера в процессе выполнения программы, которую назначил пользователь для решения задачи. В частности, ОС организует и следит за размещением в оперативной памяти и на диске нужных для работы программы данных, обеспечивает своевременное подключение устройств компьютера по требованию программы и т.п. Третья задача ОС – обеспечение так называемых системных работ, которые бывает необходимо выполнить для пользователя. Сюда относится проверка, «лечение» и форматирование диска, удаление и восстановление файлов, организация файловой системы и т.п. Обычно такие работы осуществляются с помощью специальных программ, входящих в ОС и называемых утилитами. Операционная система выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем, с другой стороны. ОС обычно хранится во внешней памяти компьютера – на диске. При включении компьютера она считывается с дисковой памяти и размещается в ОЗУ. Этот процесс называют загрузкой ОС. В функции ОС входит: осуществление диалога с пользователем; ввод-вывод и управление данными; планирование и организация процесса обработки программ; распределение ресурсов (оперативной памяти, процессора, внешних устройств); запуск программ на выполнение; всевозможные вспомогательные операции обслуживания; передача информации между различными внутренними устройствами; программная поддержка работы периферийных устройств (дисплея, клавиатуры, принтера и др.). ОС можно назвать программным продолжением устройства управления компьютера. В зависимости от количества одновременно обрабатываемых задач и числа пользователей, которых могут обслуживать ОС, различают четыре основных класса операционных систем: 1. Однопользовательские однозадачные, которые поддерживают одну клавиатуру и могут работать только с одной (в данный момент) задачей; 2. Однопользовательские однозадачные с фоновой печатью, которые позволяют помимо основной задачи запускать одну дополнительную задачу, ориентированную как правило, на вывод информации на печать. 3. Однопользовательские многозадачные, которые обеспечивают одному пользователю параллельную обработку нескольких задач. 4. Многопользовательские многозадачные, позволяющие на одном компьютере запускать несколько задач нескольким пользователям. ОС для персонального компьютера, ориентированного на профессиональное применение, должна содержать следующие основные компоненты: программы управления вводом/выводом; программы, управляющие файловой системой и планирующие задания для компьютера; процессор командного языка, который принимает, анализирует и выполняет команды, адресованные ОС. В каждой ОС имеется свой командный язык, который позволяет пользователю выполнять те или иные действия: обращаться к каталогу, выполнять разметку внешних носителей, запускать программы и т.д. Из классов программ ОС следует выделить в первую очередь драйверы. Драйверы стандартных устройств образуют в совокупности базовую систему ввод-вывод (BIOS), которая обычно заносится в постоянное ЗУ компьютера. Нередко к системным программам относят антивирусные средства, программы архивирования файлов и т.п. Общая характеристика MS DOS DOS – первая операционная система для персональных компьютеров, которая получила широкое распространение и была основной для компьютеров IBM PC с 1981 по 1995. Со временем она была практически вытеснена новыми, современными операционными системами Windows и Linux, но в ряде случаев DOS остается удобной и единственно возможной для работы на компьютере (например, в тех случаях, когда пользователь работает с устаревшей техникой или давно написанным программным обеспечением и т.п.). С операционной системой DOS пользователи работают с помощью командной строки, у нее нет собственного графического интерфейса. Операционная система DOS позволила успешно работать с персональными компьютерами на протяжении 15 лет, тем не менее, эту работу нельзя назвать удобной. DOS выступала «посредником» между пользователем и компьютером и помогла превратить сложные команды обращения к дискам в более простые и понятные, но по мере развития сама «обросла» изобилием команд и стала сдерживать работу с компьютером. Так возникла необходимость в новом посреднике – тогда появились так называемые программы-оболочки. Оболочка – это программа, которая запускается под управлением операционной системы и помогает пользователю работать с операционной системой. Программа – оболочка наглядно показывает всю файловую структуру компьютера: диски, каталоги, файлы. Файлы можно разыскивать, копировать, перемещать, удалять, сортировать, изменять и запускать, пользуясь всего лишь несколькими клавишами. Просто, наглядно, удобно. Одна из самых известных и распространенных во все мире программ-оболочек называется Norton Commander (NC). Оболочка NC скрывает от пользователя множество неудобств, возникающих при работе с файловой системой MS DOS, например, такие, как необходимость набирать команды из командной строки. Простота и удобство в использовании – вот что делает оболочки типа NC популярными и в наше время (к ним можно отнести QDos, PathMinder, XTree, Dos Navigator, Volkov Commander и др.). Принципиально отличаются от них графические оболочки Windows 3.1 и Windows 3.11. В них применяется концепция так называемых «окон», которые можно открывать, перемещать по экрану и закрывать. Эти окна «принадлежат» различным программам и отражают их работу. В DOS используется файловая система FAT. Одним из ее недостатков являются жесткие ограничения на имена файлов и каталогов. Имя может состоять не более чем из восьми символов. Расширение указывается после точки и состоит не более чем из трех символов. Расширение в имени файла не является обязательным, оно добавляется для удобства, так как расширение позволяет узнать, какая программа создала его и тип содержимого файла. DOS не делает различий между одноименными строчными и прописными буквами. Кроме букв и цифр имя и расширение файла могут состоять из следующих символов: -, _, $, #, &, @, !, %, (,), {, }, ", ^. Примеры имен файлов в MS DOS: doom.exe, referat.doc. Так как DOS была создана довольно давно, она не соответствует требованиям, предъявляемым к современным операционным системам. Она не может напрямую использовать большие объемы памяти, устанавливаемые в современные компьютеры. В файловой системе используются только короткие имена файлов, плохо поддерживаются разные устройства типа звуковых карт, видео-ускорителей и т.д. В DOS не реализована мультизадачность, т.е. она не может естественным образом выполнять несколько задач (работающих программ) одновременно. У DOS нет никаких средств контроля и защиты от несанкционированных действий программ и пользователя, что привело к появлению огромного количества так называемых вирусов. Некоторые компоненты операционной системы DOS: дисковые файлы IO.SYS и MSDOS.SYS (они могут называться и по-другому, например IBMBIO.COM и IBMDOS.COM для PC DOS) помещаются в оперативную память при загрузке и остаются в ней постоянно. Файл IO.SYS представляет собой дополнение к базовой системе ввода-вывода, а MSDOS.SYS реализует основные высокоуровневые услуги операционной системы. Командный процессор DOS обрабатывает команды, вводимые пользователем. Командный процессор находится в дисковом файле COMMAND.COM на диске, с которого загружается операционная система. Некоторые команды пользователя, например type, dir или copy, командный процессор выполняет сам. Такие команды называются внутренними или встроенными. Для выполнения остальных (внешних) команд пользователя командный процессор ищет на дисках программу с соответствующим именем и, если находит ее, загружает в память и передает ей управление. По окончании работы программы командный процессор удаляет программу из памяти и выводит сообщение о готовности к выполнению команд (приглашение DOS). Внешние команды DOS – это программы, поставляемые вместе с операционной системой в виде отдельных файлов. Эти программы выполняют действия обслуживающего характера, например форматирование дискет (format.com), проверку состояния дисков (scandisk.exe) и т.д. Драйверы устройств – это специальные программы, которые дополняют систему ввода-вывода DOS и обеспечивают обслуживание новых или нестандартное использование имеющихся устройств. Например, с помощью драйвера DOS ramdrive.sys возможна работа с «электронным диском», т.е. частью памяти компьютера, с которой можно работать так же, как с диском. Драйверы помещаются в память компьютера при загрузке операционной системы, их имена указываются в специальном файле CONFIG.SYS. Такая схема облегчает добавление новых устройств и позволяет делать это, не затрагивая системные файлы DOS. Общая характеристика Microsoft Windows Графические оболочки Widows 1.0, Widows 2.0, Widows 3.0, Widows 3.1 и Widows 3.11 запускались под управлением MS DOS, то есть не были самостоятельными операционными системами. Но поскольку с появлением Windows открылись новые возможности, Windows называют не оболочкой, а средой. Среда Windows характеризуется следующими особенностями, отличающими ее от других программ-оболочек: Многозадачность. Есть возможность одновременно запускать несколько программ. Единый программный интерфейс. Взаимодействие между программами, написанными для Windows, организовано так, что есть возможность создавать данные в одних программах и переносить их в другие программы. Единый интерфейс пользователя. Разобравшись с тем, как работает одна программа, написанная для Windows, нетрудно разобраться с другой. Чем больше программ изучить, тем проще изучение последующей программы. Графический интерфейс пользователя. Файлы программ и данных отображаются на экране в виде значков. С файлами работают с помощью мыши. Единый аппаратно-программный интерфейс. Среда Windows обеспечивала совместимость разнообразного оборудования и программ. Изготовители оборудования не заботились о том, как « угадать», к какими программами их устройствам предстоит работать, они добивались только работы с Windows, а дальше Windows обеспечивала работу устройств. Точно также изготовители программ могли более не беспокоиться о работе с неизвестным им оборудованием. Их задача свелась к тому, чтобы обеспечить взаимодействие с Windows. На смену операционной системе DOS с ее графическими оболочками Windows 3.1 и Windows 3.11 пришли полноценные операционные системы семейства MS Windows (сначала Windows 95, затем Windows 98, Windows 2000, Windows XP, Windows 7, Windows 10). В отличие от Windows 3.1 и Windows 3.11, они запускаются автоматически после включения компьютера (в том случае, если установлена только одна эта система). В MS Windows для хранения файлов используется модификация файловой системы FAT – VFAT. В ней длина имен файлов и каталогов может достигать 256 символов. В операционной системе Windows при работе с окнами и приложениями широко применяется манипулятор мышь. Обычно мышь используется для выделения фрагментов текста или графических объектов, установки и снятия флажков, выбора команд меню, кнопок панелей инструментов, манипулирования элементами управления в диалогах, «прокручивания» документов в окнах. В Windows активно используется и правая кнопка мыши. Поместив указатель мыши на объекте и сделав щелчок правой кнопкой мыши, можно раскрыть так называемое «контекстное меню», содержащее наиболее употребительные команды, применимые к данному объекту. Ярлыки обеспечивают доступ к программе или документу из различных мест, не создавая при этом нескольких физических копий файла. На рабочий стол можно поместить не только пиктограммы (значки) приложений и отдельных документов, но и папок. Папки – еще одно название каталогов (directories). Существенным нововведением в Windows 95 стала Панель задач (Taskbar). Несмотря на небольшие функциональные возможности, она делает наглядным механизм многозадачности и намного ускоряет процесс переключения между приложениями по сравнению с предыдущими версиями Windows. Общая характеристика Linux Linux – это операционная система для IBM-совместимых персональных компьютеров и рабочих станций. Это многопользовательская операционная система с сетевой оконной графической системой X Window System. Операционная система Linux поддерживает стандарты открытых систем и протоколы сети Интернет и совместима с системами Unix, DOS, MS Windows. Все компоненты системы, включая исходные тексты, распространяются с лицензией на свободное копирование и установку для неограниченного числа пользователей. Разработал эту операционную систему в начале 1990-х студент университета Хельсинки (Финляндия) Линус Торвальд при участии пользователей сети Интернет, сотрудников исследовательских центров, различных фондов и университетов. Будучи традиционной операционной системой, Linux выполняет многие из функций, характерных для DOS и Windows, однако эта операционная система отличается особой мощью и гибкостью. Linux предоставляет в распоряжение пользователя персонального компьютера скорость, эффективность и гибкость Unix, используя при этом все преимущества персональных машин. При работе с мышью активно используются все три кнопки, в частности, средняя кнопка используется для вставки фрагментов текста. С экономической точки зрения Linux обладает еще одним весьма существенным достоинством – это бесплатная система. Linux распространяется по генеральной открытой лицензии GNU в рамках фонда свободного программного обеспечения (Free Software Foundation), что делает эту операционную систему доступной для всех желающих. Linux защищена авторским правом и не находится в общедоступном пользовании, однако универсальная общественная лицензия GNU – это почти то же самое, что и передача в общедоступное пользование. Она составлена так, что Linux остается бесплатной и в то же время стандартизированной системой. Существует лишь один официальный вариант ядра Linux. От Unix операционной системе Linux достались еще две замечательные особенности: она является многопользовательской и многозадачной системой. Многозадачность означает, что система может выполнять несколько задач одновременно. Многопользовательский режим – это режим, при котором в системе могут одновременно работать несколько пользователей, и каждый из них взаимодействует с системой через свой терминал. Еще одним из достоинств этой операционной системы является возможность ее установки совместно с Windows на один компьютер. С помощью системы Linux можно любую персональную машину превратить в рабочую станцию. В наше время Linux является операционной системой для бизнеса, образования и индивидуального программирования. Университеты по всему миру применяют Linux в учебных курсах по программированию и проектированию операционных систем. Linux стал незаменим в широких корпоративных сетях, а также для организации Интернет-узлов и Web-серверов. Современный Linux предоставляет возможность использовать несколько разновидностей графического интерфейса: KDE (K Desktop Environment), GNOME (GNU Network Model Environment) и другие. В каждой из этих оболочек пользователю предоставляется возможность работы сразу с несколькими рабочими столами (в то время как в MS Windows всегда один рабочий стол, который приходится загромождать окнами). Компьютер предоставляет различные ресурсы для решения задачи, но чтобы сделать эти ресурсы легко доступными для человека и его программ, нужна операционная система. Она скрывает от пользователя сложные и ненужные подробности и предоставляет ему удобный интерфейс для работы. |