Предмет и основные разделы информатики

К первой группе ПК относятся ПК с Intel-совместимой архитектурой. Во вторую группу входят ПК Macintosh на МП Power PC (более ранние модели ПК Macintosh выпускались на базе МП Motorola 680х0), компьютеры SUN с процессорами SPARC-архитектуры, компьютеры DEC c МП Alpha и другие менее распространенные ПК.  

Необходимо обратить внимание, что приведенные ПК представляют не отдельные модели, а программно совместимые <сверху-вниз> семейства поколений компьютеров.  

3. Классификация  ПК по поколениям МП включает для Intel-совместимых ПК следующие поколения: 8086/8088, 80286, 80386, 80486, Pentium, Pentium II,  Pentium III, Pentium IV. В каждом поколении имеются различные модификации моделей МП, различающиеся структурой, техническими характеристиками и ценой.  

4. Классификация  ПК по назначению устанавливает четыре группы ПК:

- массовые ПК, к  категории которого также относятся  рабочие станции клиентов вычислительных  сетей; 

- специализированные  ПК, ориентированные на работу  в конкретных предметных областях, например в области медицины, дизайнерской работе и т.д.  

- мультимедийные ПК;

     - компьютеры, выполняющие функции серверов  в вычислительных сетях.

Состав и функции микропроцессора  ПК. 

МИКРОПРОЦЕССОР -  самостоятельное или входящее в состав микроЭВМ устройство обработки информации, выполненное в виде одной или нескольких больших интегральных схем. Микропроцессор и средства вычислительной техники и автоматики на их основе применяются в системах автоматического управления, технологического и контрольно-испытательного оборудования, транспортных средств, бытовых приборов и др. 

Микропроцессор - это интегральная схема, смонтированная кремниевой пластине. Процессор содержит тысячи, или даже миллионы транзисторов, связанных между собой сверхтонкими алюминиевыми соединительными каналами, обеспечивающими их взаимодействие при записи и обработке данных, позволяя микропроцессору выполнять множество полезных функций. Конкретные задачи микропроцессора определяются программным обеспечением.  

Микропроцессоры используются, прежде всего, в качестве "мозга" персональных компьютеров, но благодаря  им становятся "разумными" и многие другие устройства. Например, оснащенный микропроцессором телефонный аппарат  имеет возможность ускоренного  и повторного набора номера, домашний термостат автоматически отключается  по ночам, автомобиль становится безопаснее и потребляет меньше горючего. 

Технологии, связанные  с компьютерными микросхемами, используется сейчас повсеместно - от космических  кораблей и компьютеров до светофоров и кофемолок. Если устройству можно "приказать" сделать что-нибудь, или запрограммировать его свойства, то в него наверняка встроена компьютерная микросхема. 

Назначение и  сложность микросхем может сильно отличаться. Один из самых совершенных  типов микросхем - это микропроцессоры. Встроенные в них схемы могут  выполнять сотни миллионов команд в секунду. 

Микропроцессор характеризуется:

- тактовой частотой, определяющей максимальное время  выполнения переключения элементов  в ЭВМ; 

- разрядностью, т.е.  максимальным числом одновременно  обрабатываемых двоичных разрядов  

Разрядность МП обозначается m/n/k/ и включает:

m - Разрядность внутренних регистров, определяет принадлежность к тому или иному классу процессоров;

n - Разрядность шины данных, определяет скорость передачи информации;

k - Разрядность шины адреса, определяет размер адресного пространства. Например, МП i8088 характеризуется значениями m/n/k=16/8/20;

- архитектурой. Понятие  архитектуры микропроцессора включает  в себя систему команд и  способы адресации, возможность  совмещения выполнения команд  во времени, наличие дополнительных  устройств в составе микропроцессора,  принципы и режимы его работы  выделяют понятия микроархитектуры и макроархитектуры.

Тема 3. Программные средства реализации информационных процессов.

Классификация программных средств  ПК, назначение и характеристика их отдельных видов. 

Программное обеспечение (ПО) – это совокупность программных средств и сопровождающей их документации, позволяющих решать на компьютере задачи различного назначения в экономической, управленческой и других сферах деятельности, а также обеспечивающих функционирование аппаратных средств ЭВМ.  

Под программным средством понимается программа или логически связанная совокупность программ, находящаяся на машинных носителях данных и снабженная документацией.  

Под программой понимают последовательность команд (операторов, инструкций) компьютера, выполнение которых приводит к получению результата решения задачи.  

Программные средства можно классифицировать по разным признакам. Наиболее общей является классификация, в которой основополагающим признаком  служит область использования программных  продуктов:

-         аппаратная часть компьютеров и сетей ЭВМ;

-         технология разработки программ;

-         функциональные задачи различных предметных отраслей. 

Исходя из этого  выделяют три класса программных  продуктов (рис. 1):

-         системное программное обеспечение;

-         инструментарий технологии программирования;

-         пакеты прикладных программ. 

a). Под системным ПО понимается совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютеров и сетей ЭВМ. Системное ПО управляет всеми ресурсами ЭВМ и осуществляет общую организацию процесса обработки информации и интерфейсы между ЭВМ, пользователем, аппаратными и программными средствами. Системное ПО тесно связано с типом компьютера, является его неотъемлемой частью независимо от специфики предметной области и решаемых задач.

 

b). Инструментарий технологии программирования предназначен для эффективной разработки программных средств различного назначения. 

 

c). Пакеты прикладных программ предназначены для решения задач из различных областей деятельности человека.  

 

 

 

Системное программное обеспечение.

Системное программное  обеспечение по характеру использования  отдельных комплексов программ подразделяется на следующие классы:

-         базовые системы ввода-вывода;

-         операционные системы;

-         операционные оболочки. 

Базовая система ввода-вывода (BIOS – Basic Input Output System) представляет собой набор программ, обеспечивающих:

- взаимодействие  операционной системы с различными  устройствами компьютера;

-         поддержку функций ввода-вывода;

-         тестирование оборудования при включении компьютера;

-         загрузку операционной системы не только с жесткого или гибкого дисков, но и с приводов CD-ROM. 

Программы BIOS находятся в специальном постоянном запоминающем устройстве, расположенном на системной плате компьютера. Поэтому BIOS может быть отнесена к особой категории компьютерных компонетов, занимая промежуточное положение между аппаратурой и ПО. 

 

Операционные системы (ОС), виды и  функции ОС. 

Операционная система (ОС) является основой системного ПО. ОС    управляет работой всех устройств компьютера и процессом выполнения программ пользователей от момента их поступления в систему до выдачи результатов.

В состав ОС входит комплекс программ, выполняющих следующие  функции:

·             управление работой всех устройств компьютера;

·             контроль работоспособности оборудования;

·             первоначальная загрузка системы;

·             управление файловой системой;

·                распределение ресурсов компьютера, таких, как оперативная память, процессорное время, периферийные устройства, между программами пользователей;

·                управление загрузкой и выполнением прикладных программ. 

По широте охвата одновременно выполняемых задач  ОС можно разбить на три группы: однозадачные (однопользовательские), многозадачные (многопользовательские) и сетевые.

Однозадачные ОС предназначены для работы одного пользователя в каждый конкретный момент с одной конкретной задачей (например, операционные системы типа MS DOS). 

Многозадачные ОС обеспечивают коллективное использование компьютера в мультипрограммном режиме разделения времени.

Сетевые ОС связаны с появлением локальных и глобальных сетей. Они предназначены для обеспечения доступа пользователя ко всем ресурсам вычислительной сети.  

Однозадачные дисковые операционные системы различных  фирм MS DOS, PC DOS и Novell DOS были просты и экономичны, но морально устарели и уступили место операционным системам нового поколения.  

Современные ОС, такие, как ОС семейств UNIX и WINDOWS,   являются многозадачными, предоставляют пользователю развитый графический интерфейс, совместимы с приложениями, разработанными для MS DOS.   Они независимы от аппаратуры, поддерживают все виды периферийных устройств. Они способны использовать все возможности современных микропроцессоров, устойчивы в работе, так как имеют средства защиты от сбоев и ошибок. 

Начиная с 90-х годов, практически все известные ОС становятся сетевыми. Компьютер превращается в средство коммуникации с развитыми  вычислительными возможностями.  

К сетевым ОС предъявляются  такие требования, как

·              способность функционировать в среде с разнородными аппаратными и программными средствами;

·              возможность масштабирования (изменения сложности) структуры;

·              обеспечение требуемого уровня безопасности при передаче сообщений по сетям;

·              наличие развитых средств централизованного администрирования и управления. 

 

В настоящее время  широко известны семейства сетевых  операционных систем UNIX, WINDOWS, NETWARE  и др. Операционная система UNIX ориентирована на эффективную многозадачную работу в сетевом варианте организации вычислительного процесса. 

 

ОС UNIX обеспечивает поддержку:

·        иерархической структуры файловой системы;

·        совместимых по вводу-выводу файлов, устройств и процессов асинхронной обработки;

·        наиболее распространенных алгоритмических языков программирования.

В последние годы широкое распространение и поддержку  в крупных корпорациях получила ОС Linux. Это 32-разрядная версия семейства Unix. Она является основной операционной системой, поддерживающей работу в сети Internet. Её характеризует возможность установки на компьютерах различных типов, открытость программного кода ядра системы, стабильность в работе. 

Сейчас широко применяется  операционная система Windows NT, дальнейшим развитием которой являются ОС Windows 2000, ОС Windows ХР и Windows 2003, предназначенные для работы в локальных сетях и на мощных рабочих станциях. Назовём их основные особенности. Это:

·        стандартизация интерфейса пользователя;

·        возможность подключать внешние устройства различных видов;

·        интеграция функций программ, т.е. возможность использовать в конкретной программе объекты, созданные средствами другой программы;

·        многозадачность;

·        переход к преобладающему использованию графических средств изображения.  

Графический пользовательский интерфейс предназначен для создания пользователю комфортных условий при работе с операционной системой. Он удобен при запуске программ, открытии и сохранении файлов, работе с файлами, дисками и сетевыми серверами. Графический многооконный пользовательский интерфейс  основан на реализации объектно-ориентированного подхода, при котором работа пользователя ориентирована в первую очередь на документы, а не на программы. Загрузку любого имеющегося документа можно осуществить путем открытия файла, содержащего этот документ, одновременно автоматически загрузится программа, с помощью которой открываемый файл был создан.  

Начиная с версии Windows 2000, ОС поддерживает полноценную организацию локальной сети с выделенным сервером.  

В Windows 2000 и более поздних версий реализованы следующие функциональные и архитектурные решения:

·          многозадачность - использование одного процессора для работы множества приложений;

·               масштабируемость - возможность автоматического подключения и использования дополнительных процессоров;

·          объектная ориентация. Так, объектами являются объекты каталога, объекты процесса и нитей управления, объекты сегментов памяти, объекты портов и т.д.

·          расширяемость, которая обеспечена открытой модульной архитектурой, позволяющей добавлять новые модули на все уровни операционной системы.

·          доменная архитектура сетей обеспечивает возможность соединения с другими сетевыми продуктами и взаимодействие с серверами и клиентами других операционных систем.

·          система безопасности. Для обеспечения безопасности операционной системы, приложений, информации от разрушения, несанкционированного доступа, неквалифицированных действий пользователя в Windows разработана многоуровневая система безопасности – на уровне пользователя, доменов, объектов, ресурсов, сетевой передачи информации, приложений и т.д. 

Файловая система является важнейшим компонентом Windows и поддерживает разные типы файловых систем. Для работы с разными типами файловых систем построена аппаратно-независимая модель подсистемы ввода-вывода. Она реализована на концепции многоуровневой архитектуры драйверов и устройств в сочетании с диспетчером ввода-вывода, который является посредником между прикладными программами и драйверами.

Системы программирования  

Средства создания программ 
В самом общем случае для создания программы на выбранном языке программирования нужно иметь следующие компоненты. 
Текстовый редактор. Так как текст программы записывается с помощью ключевых слов, обычно происходящих от слов английского языка, и набора стандартных символов для записи всевозможных операций, то формировать этот текст можно в любом редакторе, получая в итоге текстовый файл с исходным текстом программы. Лучше использовать специализированные редакторы, которые ориентированы на конкретный язык программирования и позволяют в процессе ввода текста выделять ключевые слова и идентификаторы разными цветами и шрифтами. Подобные редакторы созданы для всех популярных языков и дополнительно могут автоматически проверять правильность синтаксиса программы непосредственно во время ее ввода. 
Исходный текст с помощью программы-компилятора переводится в машин ный код. Если обнаружены синтаксические ошибки, то результирующий код создан не будет. 
На этом этапе уже возможно получение готовой программы, но чаще всего в ней не хватает некоторых компонентов, поэтому компилятор обычно выдает промежуточный объектный код (двоичный файл, стандартное расширение .OBJ). 
3.Исходный текст большой программы состоит, как правило, из нескольких модулей (файлов с исходными текстами), потому что хранить все тексты в одном файле неудобно — в них сложно ориентироваться. Каждый модуль компилируется в отдельный файл с объектным кодом, которые затем надо объединить в одно целое. 
Кроме того, к ним надо добавить машинный код подпрограмм, реализующих различные стандартные функции (например вычисляющих математические функции sin или In). Такие функции содержатся в библиотеках (файлах со стандартным расширением .LIB), которые поставляются вместе с компилятором. Сгенерированный код модулей и подключенные к нему стандартные функции надо не просто объединить в одно целое, а выполнить такое объединение с учетом требований операционной системы, то есть получить на выходе программу, отвечающую определенному формату. 
Объектный код обрабатывается специальной программой —редактором связей или сборщиком, который выполняет связывание объектных модулей и машинного кода стандартных функций, находя их в библиотеках, и формирует на выходе работоспособное приложение — исполнимый код для конкретной платформы. 
Если по каким-то причинам один из объектных модулей или нужная библиотека не обнаружены (например, неправильно указан каталог с библиотекой), то сборщик сообщает об ошибке и готовой программы не получается. 
4.Исполнимый код — это законченная программа, которую можно запустить на любом компьютере, где установлена операционная система, для которой эта программа создавалась. Как правило, итоговый файл имеет расширение .ЕХЕ или .СОМ. 
  
Интегрированные системы программирования 
Итак, для создания программы нужны: 
� текстовый редактор; 
� компилятор; 
� редактор связей; 
� библиотеки функций. 
Как правило, в стандартную поставку входят как минимум три последних компонента, но хорошая интегрированная система включает в себя и специализированный текстовый редактор, причем почти все этапы создания программы в ней автоматизированы: после того как исходный текст введен, его компиляция и сборка выполняются одним нажатием клавиши. Это очень удобно, так как не требует ручной настройки множества параметров запуска компилятора и редактора связей, указывания им нужных файлов вручную и т. д. Процесс компиляции обычно демонстрируется на экране: показывается, сколько строк исходного текста откомпилировано, или выдаются сообщения о найденных ошибках. 
В современных интегрированных системах имеется еще один компонент — отладчик, который позволяет анализировать работу программы во время ее выполнения. С его помощью можно последовательно выполнять отдельные операторы исходного текста по шагам, наблюдая при этом, как меняются значения различных переменных. Без отладчика разработать крупное приложение очень сложно. 
  
Среды быстрого проектирования 
В последние несколько лет в программировании (особенно в программировании для операционной системы Windows) наметился так называемый визуальный подход. До этого серьезным препятствием для разработки графических приложений была сложность создания различных элементов управления и контроль за их работой. Достаточно взглянуть на окно любой Windows-программы. В нем имеется множество стандартных элементов управления (кнопки, пункты меню, списки, переключатели и т. д.). Очень трудоемко вручную описывать процесс создания этих элементов в соответствии с требованиями Windows, на глазок определять координаты, отслеживать их состояние с помощью специальных команд. Например, для простой программы, складывающей два числа, потребуется один оператор (одна строка исходного текста) для выполнения нужного вычисления и сотни строк кода для подготовки приложения к работе в Windows, создания кнопки и пары полей ввода. 
Этот процесс автоматизирован в средах быстрого проектирования (Rapid Application Development, RAD-среды). Все необходимые элементы оформления и управления создаются и обслуживаются не путем ручного программирования, а с помощью готовых визуальных компонентов, которые с помощью мыши «перетаскиваются» в проектируемое окно. Их свойства и поведение затем настраиваются с помощью простых редакторов, визуально показывающих характеристики соответствующих элементов. При этом вспомогательный исходный текст программы, ответственный за создание и работу этих элементов, генерируется RAD-средой автоматически, что позволяет сосредоточиться только на логике решаемой задачи. В результате программирование во многом заменяется на проектирование — подобный подход называется еще визуальным программированием. 
Компоненты достаточно легко создавать самостоятельно, поэтому в мире сегодня распространяются тысячи бесплатных и платных компонентов для наиболее известных ДАО-сред, из них формируются библиотеки компонентов — объектныерепози-тории. Компоненты выступают в роли «строительных кирпичиков», позволяющих собирать готовое приложение с богатыми возможностями, написав всего десяток строк исходного кода, и такой компонентный подход к созданию программ считается очень перспективным, потому что без лишних усилий и на законных основаниях допускает повторное использование чужого труда. 
  
Архитектура программных систем 
В то время как большинство автономных приложений: офисные программы, среды разработки, системы подготовки текстов и изображений — выполняются на одном компьютере, крупные информационные комплексы (например, система автоматизации предприятия) состоят из десятков и сотен отдельных программ, которые взаимодействуют друг с другом по сети, выполняясь на разных компьютерах. В таких случаях говорят, что они работают в различной программной архитектуре. Она делится на следующие группы. 
Автономные приложения. Работают на одном компьютере. 
Приложения в файл-серверной архитектуре. Компьютеры пользователей системы объединены в сеть, при этом на каждом из них (на клиентском месте) запущены копии одной и той же программы, которые обращаются за данными к серверу — специальному компьютеру, который хранит файлы, одновременно доступные всем пользователям (как правило, это базы данных). Сервер обладает повышенной надежностью, высоким быстродействием, большим объемом памяти, на нем установлена специальная серверная версия операционной системы. 
При одновременном обращении нескольких программ к одному файлу, например, с целью его обновления, могут возникнуть проблемы, связанные с неоднозначностью определения его содержимого. Поэтому каждое изменение общедоступного файла выделяется в транзакцию — элементарную операцию по обработке данных, имеющую фиксированные начало, конец (успешное или неуспешное завершение) и ряд других характеристик. 
Особенность этой архитектуры в том, что все вычисления выполняются на клиентских местах, что требует наличия на них достаточно производительных ПК (это так называемые системы с толстым клиентом — программой, которая выполняет всю обработку получаемой от сервера информации). 
Приложения в клиент-серверной архитектуре. Эта архитектура похожа на предыдущую, только сервер помимо простого обеспечения одновременного доступа к данным способен еще выполнять программы (обычно выполняются СУБД — тогда сервер называется сервером баз данных), которые берут на себя определенный объем вычислений (в файл-серверной архитектуре он реализуется полностью на клиентских местах). Благодаря этому удается повысить общую надежность системы, так как сервер работает значительно более устойчиво, чем ПК, и снять лишнюю нагрузку с клиентских мест, на которых удается использовать дешевые компьютеры. Запускаемые на них приложения реально осуществляют небольшие объемы вычислений, а иногда занимаются только отображением получаемой от сервера информации, поэтому они называются тонкими клиентами. 
Приложения в многозвенной архитектуре. Недостаток предыдущей архитектуры в том, что резко возрастает нагрузка на сервер, а если он выходит из строя, то работа всей системы останавливается. Поэтому в некоторых случаях в систему добавляется так называемый сервер приложений, на котором выполняется вся вычислительная работа. Другой сервер баз данных обрабатывает запросы пользователей, на третьем может быть установлена специальная программа — монитор транзакций, которая оптимизирует обработку транзакций и балансирует нагрузку на серверы. В большинстве практических случаев все серверы соединены последовательно — позвенно, и выход из строя одного звена если и не останавливает всю работу, то по крайней мере резко снижает производительность системы. 
Приложения в распределенной архитектуре. Чтобы избежать недостатков рассмотренных архитектур, были придуманы специальные технологии, позволяющие создавать программу в виде набора компонентов, которые можно запускать на любых серверах, связанных в сеть (компоненты как бы распределены по сети). Основное преимущество подобного подхода в том, что при выходе из строя любого компьютера специальные программы-мониторы, которые следят за корректностью работы компонентов и позволяют им «переговариваться» между собой, сразу перезапуская временно пропавший компонент на другом компьютере. При этом общая надежность всей системы становится очень высокой, а вычислительная загрузка распределяется между серверами оптимальным образом. Доступ к возможностям любого компонента, предназначенного для общения с пользователем, осуществляется с произвольного клиентского места. При этом, так как все вычисления происходят на серверах, появляется возможность создавать сверхтонкие клиенты — программы, только отображающие получаемую из сети информацию и требующие минимальных компьютерных ресурсов. Благодаря этому доступ к компонентной системе возможен не только с ПК, но и с небольших мобильных устройств. 
Частный случай компонентного подхода — доступ к серверным приложениям из броузеров через Интернет. 
Сегодня наиболее популярны три компонентные технологии — CORBA консорциума OMG, Java Beans компании Sun и СОМ+ корпорации Microsoft. Эти технологии будут определять развитие информационной индустрии в ближайшие десятилетия. 
  
Основные системы программирования 
Из универсальных языков программирования сегодня наиболее популярны следующие: 
Бейсик (Basic) — для освоения требует начальной подготовки (общеобразовательная школа); 
Паскаль (Pascal) — требует специальной подготовки (школы с углубленным изучением предмета и общетехнические ВУЗы); 
Си++ (C++), Ява (Java) — требуют профессиональной подготовки (специализированные средние и высшие учебные заведения). 
Для каждого из этих языков программирования сегодня имеется немало систем программирования, выпускаемых различными фирмами и ориентированных на различные модели ПК и операционные системы. Наиболее популярны следующие визуальные среды быстрого проектирования программ для Windows: 
� Basic: Microsoft Visual Basic 
� Pascal: Borland Delphi 
� C++: Borland C++Bulider 
� Java: Symantec Cafe 
Для разработки серверных и распределенных приложений можно использовать систему программирования Microsoft Visual C++, продукты фирмы Inprise под маркой Borland, практически любые средства программирования на Java. 
В дальнейшем будут рассматриваться возможности, характерные для Бейсика, Паскаля и Си++