Алексеев Л.Н. Введение в информатику

Подождите немного. Документ загружается.

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СОЦИАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

МИНИСТЕРСТВО ТРУДА И СОЦИАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ

Кафедра информационного обеспечения

Библиотека компьютерных технологий

Алексеев Л. Н.

ВВЕДЕНИЕ В ИНФОРМАТИКУ

Учебное пособие

2000

1. ВВЕДЕНИЕ

1.1. ПРЕДМЕТ ИНФОРМАТИКИ

Предмет информатики – информационные процессы:

- в живых существах,

- в технических устройствах,

- в общении людей,

- в телекоммуникациях,

- в жизни общества.

Информационные процессы – процессы передачи, обработки и накопления

информации в форме знаков и сигналов.

Передача информации происходит в форме сигналов, накопление

информации – в форме знаков. Обработка информации производится в форме

знаков и сигналов. В живых существах и технических устройствах информация

обрабатывается в форме сигналов. Между живыми существами информация

передается в форме знаков и сигналов. Между техническими устройствами

информация передается в форме сигналов.

1.2. ИНФОРМАЦИЯ И КОМПЬЮТЕРЫ

Информация – сведения о ком-то или о чем-то, передаваемые в форме знаков

и сигналов.

Виды информации: тексты, рисунки, фотографии, звуковые сигналы,

электрические сигналы, магнитные записи и т.д.

Информационные технологии – технологии накопления, обработки и

передачи информации с использованием определенных (технических)

устройств.

Новые информационные технологии – технологии накопления, обработки и

передачи информации с использованием электронных вычислительных машин

(ЭВМ).

ЭВМ (компьютеры) – электронные вычислительные машины.

Персональные ЭВМ – малогабаритные компьютеры, которые могут

находиться в личном пользовании на работе или дома.

Вся информация в компьютере кодируется с помощью чисел. Компьютер

обрабатывает информацию, которая представлена в виде электрических

сигналов. Поэтому очень удобно кодировать числа с помощью всего двух

состояний: есть напряжение или нет напряжения сигнала. Присутствие

напряжения определяют как единицу, отсутствие – нулем. Таким образом, все

десятичные числа в компьютере кодируются с помощью двух цифр 0 и 1. Это

называется двоичной системой счисления. Можно ли выразить все числа с

помощью всего двух цифр? Можно. Ниже показан пример соответствия

десятичной и двоичной систем счисления.

Десятичная

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

система

Двоичная

0 1 10 11 100 101 110 111 1000 1001 1010 1011

система

Один 0 или одна 1 называется битом. Другими словами, один разряд двоичного

числа называется битом. Восемь бит образуют байт. Объемы хранимой

информации в компьютере измеряются в байтах. 1024 байт образуют один

килобайт, который обозначают как 1К. 1024К образуют один мегабайт –1Мб.

Кодирование текста осуществляется с помощью специальных программных

кодовых таблиц. Каждому символу латинского или русского алфавита

соответствует свое уникальное восьмибитовое число, т.е. байт. Для латинского

алфавита разработан специальный жестко стандартизированный код ASCII

(АСКИ) – American Standard Cod for Information Interchange (Американский

стандартный код для информационного обмена). Это набор восьмибитовых

чисел, который определяет 128 символов с кодами от 0 до 127, сюда входят

символы латинского алфавита, а коды от 128 до 255 предназначены для

кодирования символов национальных алфавитов других стран.

Что касается изображения, то оно раскладывается на точки очень маленького

размера. Черно-белое изображение может быть представлено в виде набора

битов: 0 – точка белого цвета, 1 – точка черного цвета. Цветные изображения

кодируются с помощью точек различных цветов. В этом случае каждая точка

изображения будет представлена в памяти компьютера не одним, а

несколькими битами.

1.3. КЛАССИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ

В классической структуре ЭВМ, сохранившейся до наших дней, легко

угадывается абстрактная машина Тьюринга, представляющая собой модель

реализации любого алгоритма. Построенные по этому типу машины называют

универсальными, так как они могут выполнять любой алгоритм, записанный на

языке, понятным машине, т.е. в виде программы.

Классическая структура компьютера (называемая по имени ее создателя –

структурой фон. Неймана) показана на рис.1

Рис.1

Запоминающее устройство Арифметическое устройство

Устройство управления

Входное устройство Выходное устройство

Пользователь

2. КАК УСТРОЕН ПЕРСОНАЛЬНЫЙ КОМПЬЮТЕР

Минимальный состав персональных ЭВМ: дисплей, клавиатура, процессор,

память.

Дополнительные устройства: принтер, мышь, компакт дисководы, модемы и

т.д. Как промышленное изделие персональный компьютер (ПК) состоит из

нескольких агрегатов (блоков), связанных соединительными кабелями.

Номенклатура блоков может варьироваться, но в минимальный комплект

поставки входят: системный блок, клавиатура, монитор и, как правило,

манипулятор “мышь”.

2.1. СИСТЕМНЫЙ БЛОК

Системный блок стационарного ПК представляет собой прямоугольный

каркас, в котором размещены все основные узлы компьютера: материнская

плата, адаптеры, блок питания, один или два дисковода для гибких магнитных

дисков (ГМД), один (значительно реже – два) дисковод на жестком магнитном

диске (ЖМД), часто называемым “винчестер”, динамик, органы управления

(выключатель электропитания, кнопка общего сброса, индикаторы питания и

режимов работы), иногда – дисковод оптических дисков и часто – дисковод для

компакт-дисков. С тыльной стороны системного блока видны штепсельные

разъемы для подключения шнуров питания и кабелей связи с внешними (то

есть устанавливаемыми вне системного блока) устройствами. Внутрь

системного блока устанавливаются платы сопряжения устройств с

микропроцессором (адаптеры или контроллеры) и платы расширения, то есть

электронные устройства, которые отсутствуют в первоначальной комплектации

ЭВМ и приобретаются позже для увеличения ее мощности или расширения

функциональных возможностей. Каркас накрывается крышкой или кожухом.

2.1.1. МАТЕРИНСКАЯ (СИСТЕМНАЯ) ПЛАТА

Так называют большую печатную плату одного из стандартных габаритов,

которая несет на себе главные компоненты компьютерной системы:

микропроцессор, оперативную память, микросхемы поддержки, шину и

несколько разъемов-гнезд (часто их называют слотами). Последние служат для

подключения к материнской плате других плат (контроллеры, платы

расширения и др.). На системной плате расположены также соединители, к

которым с помощью специальных кабелей подключаются дополнительные

устройства.

2.1.2. МИКРОПРОЦЕССОР

Микропроцессор – это микросхема, которая обеспечивает выполнение

программ, выполняет множество разнообразных арифметических операций,

числовых сравнений и пересылку данных по запросам программ, хранимых в

памяти. Он управляет основной работой компьютера, получая и посылая

управляющие сигналы, адреса памяти и данные от одних компонент

компьютера к другим, используя для этого группу связующих электронных

путей, называемых шиной. Вдоль шины расположены порты ввода / вывода,

которые соединяют различные микросхемы памяти и микросхемы поддержки с

шиной. Данные при своем путешествии к микропроцессору или от него, а также

по направлению к другим устройствам компьютера проходят через эти порты

ввода / вывода.

2.1.3. МИКРОСХЕМЫ ПОДДЕРЖКИ

Микропроцессор не может и не мог бы управлять всем компьютером без

некоторой поддержки. Делегируя определенные функции управления другим

микросхемам, микропроцессор высвобождается для выполнения своей

основной работы. Данные микросхемы поддержки могут нести ответственность

за такие процессы, как управление потоком информации, проходящим через

внутренние электрические цепи (какими являются контроллер прерываний и

DMA – контроллер), и управление потоком информации, идущим по

направлению от или к конкретному устройству (такому как дисплей или

дисковод), присоединенному к компьютеру.

Одной из важнейших задач микропроцессора является реагирование на

аппаратные прерывания. Аппаратные прерывания – это сигнал, генерируемый

компонентом компьютера, который говорит о том, что данному компоненту

требуется внимание микропроцессора. Например, контроллеры системного

таймера (счетчика времени), клавиатуры и дисковода – все они генерируют

аппаратные прерывания в различные моменты времени. Микропроцессор

отвечает на каждое прерывание посредством выполнения соответствующего

для данного аппаратного компонента действия, например, увеличение счетчика

времени суток или обработка прерываний при нажатых клавишах. Каждый

компьютер имеет электронную схему программируемого контроллера

прерываний.

DMA – контроллер – микросхема, которая обеспечивает для дисководов

чтение и запись данных, не вовлекая в это дело микропроцессор. Эта операция

носит название прямого обращения к памяти. Основное назначение DMA –

контроллера состоит в том, чтобы обеспечить для дисководов чтение и запись

данных.

Связь между всеми внутренними микросхемами управления осуществляется

при помощи электронной схемы, называемой шиной. Шина представляет собой

по существу совместно используемый путь на главной электронной плате, к

которому подключены все управляемые компоненты компьютера. Когда

данные передаются от одного компонента к другому, они перемещаются вдоль

этого общего пути к месту назначения.

2.1.4. ОПЕРАТИВНАЯ ПАМЯТЬ

Память – это устройство, предназначенное для хранения информации. В

компьютере существует несколько типов памяти. Основная, без которой не

может работать ни один компьютер, реализована в виде микросхем (синоним:

чипов). Микросхемы памяти, которые находятся внутри компьютера, не

управляют потоком информации внутри вычислительной системы. Они просто

хранят информацию до тех пор, пока это требуется. Оперативная память, или

ОЗУ – Оперативное Запоминающее Устройство (по-английски RAM [РАМ] –

Read Access Memory), используется для хранения данных и кодов программ на

время работы компьютера. При выключении питания вся информация в ОЗУ

пропадает. Постоянная память, или ПЗУ – Постоянное Запоминающее

Устройство (по-английски ROM [РОМ] – Read Only Memory), может только

считываться и служит для хранения программ начальной загрузки компьютера.

При выключении питания содержимое ПЗУ сохраняется – это

энергонезависимая память.

Другие виды памяти представлены магнитными и оптическими дисками и

дискетами.

2.1.5. НАКОПИТЕЛИ

Накопители – это запоминающие устройства, предназначенные для

длительного (то есть не зависящего от электропитания) хранения больших

объемов информации. Накопитель можно рассматривать как совокупность

носителя информации и соответствующего привода. Различают накопители со

сменными и несменными носителями. Привод представляет собой сочетание

механизма чтения – записи с соответствующими электронными схемами

управления. Его конструкция определяется принципом действия и видом

носителя. В персональных компьютерах используются дисковые носители

информации, которые по принципу запоминания делятся на магнитные,

магнитооптические и оптические. Дисковый носитель может иметь жесткую

или гибкую основу.

Гибкие носители для магнитных накопителей в настоящее время

выпускаются в виде дискет или флоппи-дисков. Собственно носитель

представляет собой плоский диск из специальной пленки, обладающий

достаточной прочностью. Он покрыт ферромагнитным слоем и помещен в

защитный конверт (оболочка дискеты). Диск приводится во вращение только

после поступления команды на чтение или запись информации.

Накопитель на жестких магнитных дисках (НЖМД) – это устройство с

несменным носителем. Его конструктивная схема сходна со схемой накопителя

на гибких магнитных дисках (НГМД), но реализация отличается, и

существенно. От НЖМД требуется в сотни раз большая емкость и скорость

обмена данными с ОЗУ. Поэтому информация записывается ни на один диск, а

на набор дисков, состоящий из нескольких пластин, идеально плоских и с

отполированным ферромагнитным слоем. При этом запись производится на обе

поверхности пластины (кроме крайних). Следовательно, при записи или

считывании информации работает не одна, а группа магнитных головок,

собранных в единый блок. Пакет дисков вращается непрерывно и с большой

скоростью доходящей до 10000 об / мин.

Запись информации на дискеты и жесткий диск и ее считывание происходит

по тому же принципу, что и в обычном магнитофоне. Поверхности дисков

разбиваются на сектора и дорожки (треки). Дорожки на жестком диске

образуют цилиндр. Номера цилиндров начинаются с 0 для крайнего внешнего

цилиндра и возрастают для цилиндров, расположенных ближе к центру.

Головки чтения – записи также номеруются, начиная с 0, в то время как сектора

– начиная с единицы. Таким образом, любое место на диске описывается

уникальной комбинацией, состоящей из номеров цилиндра, головки и сектора.

Если информацию с жесткого диска или дискеты можно перезаписывать

заново большое количество раз, то CD-ROM диск можно только читать, что

выражено в его названии: “Compact Disk – Read Only Memory (Компакт-диск –

память только для чтения)”. На поверхности CD-ROM диска находятся

концентрические дорожки с микро углублениями. Считывание информации

осуществляется с помощью маленького лазера, поэтому CD-ROM диски

называют также оптическими. Если в компьютере установлена звуковая плата,

то с помощью CD-ROM дисковода можно проигрывать на компьютере

аудиокомпакт-диски. Для этого необходима специальная программа, которая

часто поставляется вместе со звуковыми платами.

2.1.6. ВИДЕОСИСТЕМЫ

В каждом компьютере есть видеоподсистема, отвечающая за формирование

возникающего на экране дисплея (монитора) изображения. Все

видеоподсистемы имеют видеобуфер – блок специальной памяти, где хранятся

отображаемые на экране текст или графическая информация. Видеоподсистема

выполняет уникальную задачу по преобразованию произвольных данных,

расположенных в видеобуфере, в сигналы, управляющие изображением на

экране.

Буферная память видеосистем напрямую присоединена к микросхеме

дисплея, управляющая дисплеем. Данные из видеобуфера могут быть

неоднократно считаны и изображены на экране. Логически видеобуфер

является частью общего адресного пространства компьютера. Каждая ячейка

дисплейной памяти соответствует определенному фрагменту экрана.

Микросхема дисплея постоянно считывает информацию из памяти и размещает

ее на экране. Она преобразует поток битов, принимаемых из памяти, во

вспышки света в различных точках экрана.

2.1.7. АДАПТЕРЫ

Формы представления данных и управляющих сигналов, используемые в

разных устройствах компьютера, существенно различаются, так как

существенно различны функции устройств, физические принципы их работы,

формы взаимодействия с человеком. Так, данные, считываемые с дискеты,

представляются последовательностью электрических импульсов, каждый из

которых несет значение одного бита. Те же данные в системной шине

изображаются комбинацией тридцати двух одновременно передаваемых

импульсов.

Ясно, что для поддержки взаимодействия различных устройств необходимо

выполнять преобразование форм представления информации. Эту задачу

решают специальные устройства, называемые адаптерами. Конструктивно они

оформляются в виде печатных плат, которые, с одной стороны, имеют

стандартный разъем для сопряжения с шиной, а с другой – специфический

разъем для связи с соответствующим устройством.

Следует отметить, что по мере совершенствования элементной базы

складываются предпосылки уменьшения потребности в адаптерах, так как часть

“обязанностей” по преобразованию сигналов берут на себя электронные схемы

управления самих устройств (к примеру, тех же накопителей). Тем не менее,

сегодня в номенклатуре адаптеров устойчиво фигурируют: видеоадаптеры (они

же – видеоплаты, видеокарты), адаптеры портов ввода-вывода, сетевые

адаптеры (сетевые карты), звуковые платы (аудиокарты), модемы.

Видеоадаптер – это устройство, преобразующее набор данных, подлежащих

отображению на экране, в видеосигнал, посылаемый монитору по кабелю.

Изображение на экране монитора, так же как и телевизора, складывается из

отдельных точек. Точки формируются электронным лучом, траектория

которого на экране представляет собой несколько сот горизонтальных линий.

Управляя интенсивностью электронного луча, можно управлять яркостью

отображаемой точки. Таким образом, для создания на экране требуемого

изображения необходимо соответствующим образом модулировать

электронный луч, для чего хранимые в ОЗУ коды символов приходится

предварительно преобразовывать в видеосигнал. Изображение на экране

монитора регенерировать (воссоздавать) с частотой до 80 герц. Чтобы этот

процесс не мешал работе микропроцессора, подлежащие выводу данные

хранятся в специально выделенной для этого видеопамяти. Конструктивно это

может быть реализовано в форме выделения участка основного ОЗУ или (как

правило) включением специальной микросхемы памяти в состав видеоадаптера.

Требования к объему видеопамяти возрастают с увеличением разрешающей

способности монитора и количества воспроизводимых цветов.

Контроллер дисков предназначен для управления работой механических

частей устройства чтения и записи информации на диск и формирования

электрических импульсов при записи и чтении.

Адаптер портов, или контроллер ввода-вывода, представляет собой

устройство, которое обслуживает разнообразные внешние устройства, такие как

принтеры, манипуляторы и т.п. Присоединение их к системному блоку

осуществляется через специальные схемные элементы, называемые портами.

Различают параллельные и последовательные порты.

Параллельный порт позволяет передать за один такт, по меньшей мере, один

байт информации, так как каждому биту выделен один проводник. В этом

случае все составляющие байта передаются одновременно, параллельно.

Последовательный порт содержит только одну пару проводников, и потому

биты, составляющие сигнал, проходят через порт последовательно.

Параллельные порты именуют LPT1,LPT2,…., последовательные порты –

COM1,COM2,… .

2.2. МОНИТОР

Монитор (дисплей) компьютера предназначен для отображения текстовой и

графической информации. Они могут работать в одном из двух режимов:

текстовом или графическом.

В текстовом режиме экран монитора условно разбивается на отдельные

участки – знакоместа (чаще всего на 25 строк по 80 символов). На каждом

знакоместе может быть отображен один из 256 заранее определенных

символов.

В графическом режиме экран монитора представляет собой, по существу,

растр, состоящий из точек (пикселей). Количество точек по горизонтали и

вертикали, которые монитор способен воспроизвести четко и раздельно,

называется разрешающей способностью монитора. Выражение “разрешающая

способность 800600” означает, что монитор может выводить 600

горизонтальных строк по 800 точек в каждой строке. Не следует думать, что

потенциальная разрешающая способность монитора реализуется

автоматически. Реальная разрешающая способность всей видеосистемы зависит

еще и от видеокарты.

2.3. КЛАВИАТУРА

Клавиатура предназначена для ввода в компьютер информации и команд

управления. Клавиатура стационарного ПК, как правило, представляет собой

самостоятельный конструктивный блок. Ее вид к настоящему времени

практически стандартизовался, и если некоторые виды отличаются, то