…>=, <> и т.д.). Программа представляет собой совокупность определений отношений между объектами (в терминах условий или ограничений) и цели (запроса), определяющей результат, который надо получить после выполнения программы. Языки логического программирования характеризуются:

- высоким уровнем;

- строгой ориентацией на символьные вычисления;

- возможностью инверсных вычислений, т. е. переменные в процедурах не делятся на входные и выходные;

- возможной логической неполнотой, поскольку зачастую невозможно выразить в программе определенные логические соотношения, а также невозможно получить из программы все выводы правильные.

Логические программы, в принципе, имеют небольшое быстродействие, т. к. вычисления осуществляются методом проб и ошибок, поиском с возвратами к предыдущим шагам.

В основе объектно-ориентированного стиля программирования лежит понятие объекта, а суть его выражается формулой:

объект = данные + набор операций (процедуры).

Каждый объект интегрирует в себе некоторую структуру данных и доступные только ему процедуры их обработки. Объединение данных и процедур в одном объекте называется инкапсуляцией и присуще только объектно-ориентированному программированию.

Для описания объектов используют класс, который определяет свойства и методы объекта, принадлежащего этому классу. Соответственно любой объект можно определить как элемент класса. Программирование этого стиля заключается в выборе имеющихся или создании новых объектов и организации взаимодействия между ними. При создании новых объектов их свойства могут добавляться или наследоваться от объектов-предков.

 К наиболее современным объектно-ориентированным языкам программирования относятся С++ и Jаvа. Они являются языками высокого уровня.

Язык программирования С (Си) первоначально был разработан для реализации операционной системы UNIX в начале 70-х годов. В последующем приобрел высокую популярность среди программистов. Этот язык реализован на большинстве современных ЭВМ. Он является высокоэффективным языком для получения экономных машинных программ с точки зрения быстродействия и объема занимаемой памяти.

В Си сочетаются достоинства современных высокоуровневых языков с возможностями доступа к аппаратным средствам ЭВМ на уровне, который обычно доступен языкам низкого уровня типа языка Ассемблера. Язык Си имеет синтаксис, обеспечивающий краткость программы, а компиляторы способны генерировать эффективную машинную программу.

Язык С++ был разработан в начале 80-х годов Б. Cтрауструпом. Им была создана компактная компилирующая система, в которой за основу был взят язык С, дополненный элементами языков ВСРL, Simu1а-67 и А1gо1-68. К 1990 году была выпущена третья версия языка С++, принятая комитетом АNSI в качестве исходного материала для его стандартизации.

В 1990 году Д. Гослинг на основе расширения С++ разработал объектно-ориентированный язык Оаk, основным достоинством которого было обеспечение сетевого взаимодействия различных по типу устройств. Новая интегрируемая в Internet версия языка, получила название Jаvа. Первый браузер, который поддерживал язык Jаvа, получил название NоtJаvа. С января 1995 года Jаvа получает распространение в Intеrnеt.                                                 

Согласно официальному определению авторов, Jаvа «…является простым объектно-ориентированным и архитектурно нейтральным языком, типа, обеспечивающим надежность и безопасность, обладающим высокой производительностью в сочетании с многопоточностью и динамичностью».

В последнее время многие программы, в особенности объектно-ориентированные, реализуются как системы визуального программирования. Отличительной особенностью таких систем является мощная среда разработки программ из готовых «строительных блоков», позволяющая создать интерфейсную часть программного продукта в диалоговом режиме, практически без кодирования программных операций. К числу объектно-ориентированных систем визуального программирования относятся: Visual Basic, C++ Builder и Visual C++.

 

 

Тема 3.    Общие принципы организации и функционирования компьютера

3.1. Архитектура и структура ЭВМ. Принципы построения компьютеров

Электронная вычислительная машина (ЭВМ, компьютер)  представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами<!--[51]-->.

При рассмотрении ЭВМ как средства обработки информации важную роль играет понятие архитектуры ЭВМ (рис. 3.1).

Под архитектурой ЭВМ понимается совокупность общих принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении соответствующих классов задач.

Архитектура ЭВМ описывает множество особенностей компьютера, среди которых важнейшими являются: стоимость, сфера применения, функциональные возможности, удобство эксплуатации, а одним из главных компонентов архитектуры являются аппаратные средства. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Архитектуру вычислительного средства следует отличать от его структуры. Структура компьютера – это описание совокупности его функциональных элементов и связей между ними.

 

Архитектура ЭВМ

Вычислительные и логические возможности

Система команд

Аппаратные средства

Структура ЭВМ

Организация памяти

Программное обеспечение

Операционная система

Языки программирования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Форматы данных

Организация ввода-вывода

Прикладное ПО

Принципы управления

Быстродействие

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.1. Основные компоненты архитектуры ЭВМ

 

Современные ЭВМ внешне не имеют ничего общего с первыми моделями, созданными в 30 – 40-х годах 20 века. Однако, основополагающие идеи, заложенные в них и связанные с понятием алгоритма, разработанным Аланом Тьюрингом, а также архитектурной реализацией, предложенной Джоном фон Нейманом, пока не претерпели коренных изменений (за исключением систем параллельной обработки информации).

К принципам построения компьютеров, сформулированные Дж. фон Нейманом в 1945 г., относятся следующие

1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности без вмешательства человека.

2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм).

Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции — перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.

3. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.

Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских.

 

3.2. Аппаратные средства. Функции основных блоков ЭВМ.

Любая ЭВМ фон-неймановской архитектуры содержит (рис. 3.2.):

• арифметико-логическое устройство (АЛУ);
• устройство управления (УУ);
• запоминающее устройство (ЗУ);
• устройства ввода-вывода (УВВ);
• пульт управления (ПУ).

В современных ЭВМ АЛУ и УУ объединены в общее устройство, называемое центральным процессором

Процессор, или микропроцессор, является основным устройством ЭВМ.

Функции процессора:

• обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
• программное управление работой устройств компьютера.

 

Процессор Системный  интерфейс

АЛУ

УУ

УВВ

ЗУ

ПУ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.2. Обобщенная логическая структура ЭВМ

 

PRIVATE<TBODY>Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ). </TBODY>

Обычно эти два устройства выделяются чисто условно, конструктивно они не разделены.

Быстродействие ЭВМ в значительной мере определяется скоростью работы процессора. Для ее увеличения процессор исполь­зует собственную память небольшого объема, именуемую местной, или сверхоператив­ной, что в некоторых случаях исключает необходимость обращения к запоминающему устройству ЭВМ.

Вычислительный процесс должен быть предварительно представлен для ЭВМ в виде программы – последовательности инструкций (команд), записанных в порядке выпол­нения. В процессе выполнения программы ЭВМ выбирает очередную команду, расшиф­ровывает ее, определяет, какие действия и над какими операндами следует выполнить. Эту функцию осуществляет УУ. Оно же помещает выбранные из ЗУ операнды в АЛУ, где они и обрабатываются. Само АЛУ работает под управлением УУ.

Память. Обрабатываемые данные и выполняемая программа должны находиться в запоминающем устройстве – памяти вычислительной машины, куда они заносятся через устройство ввода. Память представляет собой сложную структуру, построенную по иерархическому принципу, и включает в себя запоминаю­щие устройства различных типов. Функционально она делится на две части: внутрен­нюю и внешнюю.

Внутренняя, или основная память – это запоминающее устройство, напрямую свя­занное с процессором

Функции памяти:

• приём информации из других устройств;
• запоминание информации;
• выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Обращение к внутренней памяти ЭВМ осуществляется с высоким быстродействием, но она имеет ограниченный объем, определяемый системой адресации машины.

Внутренняя память, в свою очередь, делится на оперативную (ОЗУ) и постоянную (ПЗУ). Оперативная память, по объему составляющая большую часть внутрен­ней памяти, служит для приема, хранения и выдачи информации. При выключении пи­тания ЭВМ содержимое оперативной памяти в большинстве случаев теряется. Посто­янная память обеспечивает хранение и выдачу информации. В отличие от содержимого оперативной памяти, содержимое постоянной памяти заполняется при изготовлении ЭВМ и не может быть изменено в обычных условиях эксплуатации. В постоянной памяти хранят­ся часто используемые программы и данные, например, некоторые программы операционной системы, программы тестирования оборудования ЭВМ и др. При выключении питания содержимое постоянной памяти сохраняется.

При включении компьютера из ПЗУ в ОЗУ с помощью аппаратных средств загружается короткая программа-“стартер”, которая загружает из внешней памяти блоки операционной системы, необходимые для работы компьютера. После этого компьютер готов к работе.

Внешняя память (ВЗУ) предназначена для размещения больших объемов информа­ции и обмена ею с оперативной памятью. Для построения внешней памяти используют энергонезависимые носители информации  (диски и ленты),  которые к тому же являют­ся переносимыми. Емкость этой памяти практически не имеет ограничений, а для обра­щения к ней требуется больше времени, чем к внутренней.

Для измерения объема памяти основная единица – байт (8 двоичных разрядов, т.е. 8 бит). Однако используются и единицы, производные от байта (см. таблицу).

Внешние запоминающие устройства конструктивно отделены от центральных уст­ройств ЭВМ (процессора и внутренней памяти), имеют собственное управление и вы­полняют запросы процессора без его непосредственного вмешательства. В качестве ВЗУ используют накопители на магнитных и оптических дисках, а также накопители на маг­нитных лентах.

По принципам функционирования ВЗУ разделяются на устройства прямого дос­тупа (накопители на магнитных и оптических дисках) и устройства последователь­ного доступа (накопители на магнитных лентах). Первые обла­дают большим быстродействием, поэтому они являются основными внешними запо­минающими устройствами, постоянно используемыми в процессе функционирования ЭВМ. Вторые используются в основном для резерви­рования информации.

Устройства ввода-вывода служат, соответственно, для ввода информации в ЭВМ и вывода из нее, а также для обеспечения общения пользователя с машиной. Иногда их называют периферийными или внешними устройствами ЭВМ. К ним относятся, в частности, дисплеи (мониторы), клавиатура, манипуляторы типа «мышь», алфавитно-цифровые печатающие устройства (принтеры), графопостроители, сканеры и др.   Процессы ввода-вывода протекают с использованием внутренней памяти ЭВМ.  Для управления внешними устройствами (в том числе и ВЗУ) и согласования их с системным интерфейсом служат групповые устройства управления внешними устрой­ствами, так называемые адаптеры или контроллеры.

Системный интерфейс – это конструктивная часть ЭВМ, предназначенная для соединения и согласованного взаимодействия её устройств и обмена информацией между ними.

Блочная (модульная) организация компьютера опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией между блоками. Магистраль включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления. Каждая шина содержит провода и схемы сопряжения для подключения соответствующих модулей ПК.

- шина данных предназначена для параллельной передачи всех разрядов числового кода операндов выполняемых машинных команд;

- шина адреса предназначена для параллельной передачи всех разрядов адреса ячеек, участвующих в выполнении команды;

- управляющая шина предназначена для передачи управляющих сигналов во все блоки ПК.

Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

 

</TBODY>

 

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора.

PRIVATE<TBODY>Порты устройств представляют собой некие электронные схемы, содержащие один или несколько регистров ввода-вывода (специальные ячейки памяти под вводимые данные) и позволяющие подключать периферийные устройства компьютера к внешним шинам микропроцессора.

 

3.3. Устройство персонального компьютера

Рассмотрим устройство компьютера на примере самой распространенной компьютерной системы – персонального компьютера.

Персональным компьютером (ПК) называют настольный или переносной компьютер, удовлетворяющий требованиям общедоступности и универсальности применения и рассчитанный на одного пользователя.

К достоинствам ПК относятся:

- сравнительно малая стоимость, в пределах доступности для индивидуального покупателя;

- автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

- открытость архитектуры;

- «дружественность» программного обеспечения, допускающая возможность работы с ним пользователя без профессиональной подготовки в области программирования;

- высокая надежность работы.

PRIVATE<TBODY>Принцип открытой архитектуры заключается в следующем:

• Регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями.
• Компьютер легко расширяется и модернизируется за счёт наличия внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии со своими личными предпочтениями.

Упрощённая блок-схема, отражающая основные функциональные компоненты компьютерной системы в их взаимосвязи, изображена на рис. 3.3.

 

PRIVATE "TYPE=PICT;ALT="
Рис. 3.3. Общая структура персонального компьютера с подсоединенными

периферийными устройствами

 

Тема 4.   Программное обеспечение ПК

4.1. Структура программного обеспечения

Математическое и программное обеспечение – совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ для реализации целей и задач информационной системы, а также нормального функционирования комплекса технических средств.

К средствам математического обеспечения относятся:

- средства моделирования процессов обработки информации;

- типовые задачи обработки информации;

- математические методы, используемые для решения типовые задачи обработки информации.

В состав программного обеспечения (ПО) входят общесистемные и специальные программные продукты. Программа – это упорядоченная последовательность команд для ЭВМ. Набор программ, составляющих ПО, принято распределять по уровням. Такое членение удобно для всех этапов работы с информационной системой, начиная с установки программ до практической эксплуатации и технического обслуживания.

 

	Прикладное ПО

 

4 уровень

Служебное ПО

 

 

 

3 уровень

 

	Системное ПО

 

2 уровень

Базовое ПО

 

 

 

1 уровень

 

Уровни ПО ПК

 

1 Уровень.  Базовое ПО отвечает за взаимодействие непосредственно с аппаратными (техническими) средствами. Как правило, базовые программные средства хранятся в специальных микросхемах, составляющих постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). Иными словами, базовое ПО конструктивно встроено в состав аппаратных средств ПК.

2 Уровень. Системное ПО обеспечивает взаимодействие прочих программных средств ИС с программами базового уровня. Например, при подключении к ПК нового оборудования необходимо в состав системного ПО добавить новую программу, обеспечивающую для других программ связь с этим оборудованием. Такие программы называются драйверами устройств. Другой класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Благодаря им пользователь получает возможность вводить данные в компьютер, управлять его работой и получать результат в удобной для себя форме. Эти программы называются средствами обеспечения пользовательского интерфейса.

В общем случае интерфейс – совокупность средств и правил, которые обеспечивают связь и взаимодействие различных технических устройств, программных продуктов между собой, а также с человеком, использующим эти средства (с пользователем). Иными словами, существует много различных интерфейсов, о них еще зайдет речь в дальнейшем.

3 Уровень. Назначение программ, составляющих служебное (сервисное) ПО (их называют утилиты), состоит в автоматизации  работ по проверке, наладке и настройке компьютерной системы. Некоторые служебные программы изначально включают в состав операционной системы, но большинство из них являются внешними по отношению к операционной системе и служат для расширения ее функций. К служебному ПО, в частности, относятся:

- программы обслуживания файлов (файловые менеджеры), позволяющие копировать, удалять файлы, осуществлять их поиск и проделывать иные манипуляции с файлами и папками;

- средства сжатия данных (архиваторы), применение которых существенно уменьшает объем данных и упрощает их хранение;

- средства диагностики программного и аппаратного обеспечения;

- средства обеспечения информационной безопасности, включая антивирусное ПО, а также средства защиты от несанкционированного доступа к данным.

4 Уровень. Программные продукты перечисленных ранее уровней носят общий характер применения, независимо от специфики предметной области – наука, образование, бизнес или иная. В отличие от них, прикладное ПО представляет собой совокупность программ, разработанных при создании вычислительной системы определенного назначения.

Прикладное ПО можно разделить на две группы программ: системы программирования и приложения.

Системы программирования обеспечивают процесс разработки программ предметного назначения, и включают специализированные программные продукты, в состав которых входят трансляторы с различных языков программирования, а также более крупные программные комплексы – интегрированные среды, которые поддерживают все технологические этапы создания программных продуктов, включая этапы проектирования, программирования, тестирования и отладки.

Приложения – программы, предназначенные для решения задач определенного класса и конкретной предметной области. Они являются самым многочисленным классом программных продуктов. Позже мы поговорим о приложениях более подробно.

 

4.2. Функции операционной системы

Операционная система является основной и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе. Она обеспечивает целостное функционирование всех устройств компьютера, предоставляет пользователю доступ к управлению компьютером, а также упорядочивает и обеспечивает хранение информации во внешней памяти.

PRIVATE<TBODY>Операционная система (ОС) – это комплекс взаимосвязанных системных и служебных программ, назначение которого – организовать взаимодействие пользователя с компьютером и обеспечить выполнение всех других программ. </TBODY>Она играет роль связующего звена между выполняемыми программами и аппаратурой компьютера, а также между пользователем и программами.

Перечислим более подробно основные функции ОС.

1. Обеспечение интерфейса пользователя – взаимодействия пользователя и программ. Все операционные системы способны обеспечивать как пакетный, так и диалоговый режим работы пользователя. В пакетном режиме ОС автоматически выполняет заданную последовательность команд без вмешательства пользователя. При реализации диалогового режима ОС находится в ожидании команды пользователя, получив ее, приступает к выполнению, а исполнив, ждет очередной команды.

По реализации интерфейса различают текстовые и графические ОС. В текстовых ОС реализован интерфейс командной строки, при котором в специальное поле экрана, называемое командной строкой, вводится команда пользователя, которая после нажатия специальной клавиши (обычно – ENTER) отправляется на выполнение.

Графические ОС реализуют более сложный тип интерфейса, в котором кроме клавиатуры может использоваться мышь или иное устройство позиционирования. Работа графических ОС основана на взаимодействии активных и пассивных экранных элементов управления. В качестве активного элемента выступает экранный указатель мыши – графический объект, перемещение которого на экране синхронизировано с перемещением мыши. В качестве пассивных элементов выступают графические элементы управления приложений – ярлыки, экранные кнопки, переключатели и др.  В процессе управления пользователь совмещает нужным образом активный элемент с выбранным пассивным и использует кнопки мыши для подачи команд. Графический интерфейс предъявляет повышенные требования к быстродействию видеосистемы компьютера, но при этом достигается основная цель – создается более комфортная среда работы пользователя.

2. Обслуживание файловой системы. Все современные дисковые ОС обеспечивают создание файловой системы, предназначенной для хранения данных на дисках и обеспечения доступа к ним. Под управлением ОС происходят следующие операции с файловой системы:

- создание файлов и папок (каталогов) и присвоение им имен;

- копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между папками;

- удаление файлов и каталогов;

- навигация по файловой системе с целью доступа к заданному файлу и/или каталогу;

- управление атрибутами файлов.

3. Управление установкой, исполнением и удалением приложений. (Определение термина «приложение» см. п. 4.1.). Работа с приложениями составляет наиболее важную часть работы ОС. Большинство современных ОС – многозадачные. Они управляют распределением ресурсов вычислительной системы (память, время работы процессора и др.) между несколькими программами и обеспечивают

- возможность параллельной работы нескольких приложений;

- возможность обмена данными между приложениями;

- возможность совместного использования ресурсов вычислительной системы несколькими приложениями.

Таким образом, в процессе своего функционирования приложения постоянно находятся под управлением ОС, причем, от качества этого управления во многом зависит эффективность и надежность работы всей вычислительной системы.

Для своей правильной работы приложения, работающие под управлением ОС, должны быть включены в состав ПО конкретного компьютера не простым копированием файла с программой, а пройти специальную операцию, называемую инсталляцией (установкой). Программное обеспечение распространяется фирмами-производителями в форме дистрибутивов, представляющих собой не законченный программный продукт, а некий полуфабрикат, который при инсталлировании проходит привязку к аппаратно-программной среде данного компьютера. Современные ОС берут на себя управление процессом установки приложений, а именно:

- управляют распределением ресурсов вычислительной системы между приложениями;

- обеспечивают доступ устанавливаемых приложений к драйверам устройств;

- формируют общие ресурсы, которые могут использоваться разными приложениями;

- выполняют регистрацию установленных приложений.

Процесс удаления приложений также должен протекать под контролем ОС, т.к. при несанкционированном удалении одного приложения могут быть удалены ресурсы, на которые опираются другие приложения.

4. Обеспечение взаимодействия с аппаратной средой. PRIVATE<TBODY></TBODY>Гибкость аппаратных и программных конфигураций вычислительных систем поддерживается за счет того, что каждый разработчик оборудования прикладывает к нему специальные программные средства управления – драйверы. Одной из важных функций ОС является диспетчеризация обращений прикладных программ к драйверам устройств. Таким образом, операционная система скрывает от пользователя сложные ненужные подробности взаимодействия с аппаратурой, образуя прослойку между ними. В результате этого люди освобождаются от очень трудоёмкой работы по организации взаимодействия с аппаратурой компьютера.

 

4.3. Операционные системы Windows

Основные характеристики. Операционные системы семейства Windows являются графическим операционными системами компьютеров платформы IBM PC. Системы Windows 95, Windows 98, Windows ХР предназначены для управления автономными компьютерами или небольшой компьютер… Продолжение »