Информатика. Курс лекций

1.

Информатика. Курс лекций

2.

Предмет и задачи информатики
Информатика – это техническая наука, систематизирующая
приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи
данных средствами вычислительной техники, а также принципы
функционирования этих средств и методы управления ими.
Информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет
часто называют информационными технологиями.
Предмет информатики составляют следующие понятия:
аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
• программное обеспечение средств вычислительной техники;
• средства взаимодействия аппаратного и программного
обеспечения;
• средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
Особое внимание в информатике
уделяется вопросам взаимодействия.
Основной задачей информатики является
систематизация приемов и методов
работы с аппаратными и программными
средствами вычислительной техники.

3.

Предмет и задачи информатики
В составе основной задачи информатики сегодня можно выделить
следующие направления для практических приложений:
• архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения
систем, предназначенных для автоматической обработки данных);
• интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления
аппаратным и программным обеспечением);
• программирование (приемы, методы и средства разработки
компьютерных программ);
• преобразование данных (приемы и методы преобразования структур
данных);
• защита информации (обобщение приемов, разработка методов и
средств защиты данных);
• автоматизация (функционирование программно-аппаратных средств
без участия человека);
• стандартизация (обеспечение совместимости
между аппаратными и программными средствами,
а также между форматами представления данных,
относящихся к различным типам вычислительных
систем).
На всех этапах технического обеспечения
информационных процессов для информатики
ключевым понятием является эффективность.

4.

Истоки и предпосылки информатики
Слово информатика происходит от французского слова
Informatique, образованного в результате объединения терминов
Informacion (информация) и Automatique (автоматика), что
выражает ее суть как науки об автоматической обработке
информации. Кроме Франции, термин информатика используется
в ряде стран Восточной Европы. В то же время, в большинстве
стран Западной Европы и США используется другой термин –
Computer Science (наука о средствах вычислительной
техники).

5.

Информация и ее свойства
Информация – это динамический объект, образующийся в ходе
взаимодействия данных и методов. Он существует ровно столько, сколько
длится это взаимодействие, а все остальное время пребывает в виде
данных.
При этом форма, в которой представлены данные, может быть
абсолютно любой. Если данные графические, а метод взаимодействия –
наблюдение, то образуется визуальная или видео информация. Если
данные – звуковые или речевые, а метод их потребления –
прослушивание, образуется звуковая или аудио информация. Если
данные – текстовые, а метод их потребления – чтение, образуется
текстовая информация. Текстовые данные быть графической
информацией, если к ним применен не метод чтения, а метод
наблюдения и т.д.
Информация является динамическим
объектом, образующимся в момент
взаимодействия объективных данных и
субъективных методов. Как и всякий
объект, она обладает свойствами
(объекты различимы по своим
свойствам).

6.

Адекватность информации
Под адекватностью понимают степень соответствия
информации, полученной потребителем, тому, что автор вложил в ее
содержание (то есть в данные). Поскольку информация является
продуктом взаимодействия данных и методов, то на ее свойства, в том
числе и на адекватность, влияют как адекватность данных, так и
адекватность методов (рисунок ниже).
+
=
+
=
В первом случае мы имеем адекватные данные. Применив к ним
естественный метод наблюдения и логический метод счета, мы получим
адекватную информацию о том, что 2+2=4. Во втором случае данные не
выглядят адекватными, и метод счета не позволит получить адекватную
информацию. Однако если мы знаем правила записи римских цифр
(обладаем адекватным методом), то мы все равно получим адекватную
информацию о том, что II + II = IV или, что то же самое, 2+2=4.
Адекватность информации иногда ошибочно путают с ее
достоверностью. Это совершенно разные свойства.

7.

Достоверность информации
Под достоверностью информации понимается ее соответствие
объективной реальности (как текущей, так и прошедшей) окружающего
мира. На достоверность информации влияет как достоверность данных,
так и адекватность методов, использованных при ее получении.
Известны случаи, когда недостоверные данные могут давать
достоверную информацию, например когда заранее известна степень их
недостоверности. Науке известны методы обработки недостоверных
данных с целью получения более достоверной информации. Эти методы
основываются, например, на фильтрации (отсеве) и на статистическом
анализе данных. Как правило, в таких случаях чем больше исходных
данных мы имеем, тем выше достоверность
полученного результата. Таким образом,
на достоверность информации влияют такие
ее свойства как адекватность и полнота.
Свойство достоверности информации имеет
важное значение в тех случаях, когда ее
используют для принятия решений.
Недостоверная информация может приводить
к решениям, имеющим негативные экономические,
социальные и политические последствия.

8.

Полнота информации
Под полнотой информации понимается ее достаточность
для принятия решения. Она зависит как от полноты данных, так
и от наличия необходимых методов.
С понятием полноты данных сталкиваются все, кому
приходится выполнять служебные задания. Если исходные данные
неполны, принять верное решение непросто.
Однако бывают
случаи, когда данные полны,
а верное решение не
удается получить. Это
свидетельствует
о том, что мы не располагаем
какими-то методами. В обоих
случаях можно говорить о
том, что недостаточно
необходимой информации.

9.

Избыточность информации
Это свойство, полезность которого ощущается очень часто. Нередко
избыточность информации человек воспринимает как ее качество,
потому что она позволяет ему меньше напрягать свое внимание и
меньше утомляться.
Обычный текст, напечатанный на русском языке, имеет избыточность
порядка 20-25%. Попробуйте отбросить каждую пятую букву, и то
получить информацию из печатного текста все же можно, хотя читать его
будет очень утомительно. Визуальная информация, которую мы получаем
органами зрения, имеет очень большую избыточность – более 90%. Это
означает, что, даже потеряв значительную часть визуальной информации,
мы все-таки можем понимать ее содержание, хотя и
не без концентрации внимания. Люди, лишенные зрения,
продолжают оставаться полноценными членами
общества, но испытывают повышенное утомление.
Избыточность информации позволяет повышать ее
достоверность за счет применения специальных
методов, в том числе и основанных на теории
вероятностей и математической статистике. Общий
принцип здесь такой: в результате отсева объем
данных сокращается, но их достоверность
увеличивается.

10.

Доступность информации
Доступность информации – это мера возможности получить ту
или иную информацию. На степень доступности информации влияют
одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных
методов для их интерпретации.
Отсутствие доступа к данным или
отсутствие адекватных методов
обработки данных приводят к
одинаковому результату:
информация оказывается
недоступной.
Отсутствие адекватных
методов для работы с
данными во многих случаях
приводит к применению
неадекватных методов, в
результате чего образуется
неполная, неадекватная
или недостоверная
информация.

11.

Актуальность информации
Актуальность – это степень соответствия информации
текущему моменту времени. Нередко с актуальностью, как и с
полнотой, связывают коммерческую ценность информации.
Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то
достоверная и адекватная, но устаревшая информация может
приводить к ошибочным решениям.

12.

Данные. Носители данных
Данные – диалектическая составная часть информации. Они
представляют собой зарегистрированные сигналы. При этом физический
метод регистрации может быть любым: механическое перемещение
физических тел, изменение их формы или параметров качества
поверхности, изменение электрических, магнитных, оптических
характеристик, химического состава, характера химических связей,
изменение состояния электронной системы и многое другое.
В соответствии с методом
регистрации данные могут
храниться и
транспортироваться на
носителях различных видов.
Самым распространенным
носителем данных, хотя и не
самым экономичным, но при
этом самым долговечным,
является бумага. На бумаге
данные регистрируются путем
изменения оптических
характеристик ее поверхности.

13.

Данные. Носители данных
Изменение оптических свойств
(коэффициента отражения поверхности в
определенном диапазоне длин волн)
используется устройствах,
осуществляющих запись лазерным
лучом на пластмассовых носителях с
отражающим покрытием (лазерные диски).
В качестве носителей,
использующих изменение
магнитных свойств, применяются
можно назвать магнитные диски
(жесткие диски).
Изменение величины
электростатического заряда
специальных управляемых ячеек
используется во флэш – памяти.
Любой носитель можно характеризовать параметром
разрешающей способности (количеством данных, записанных в
принятой для носителя единице измерения) и динамическим
диапазоном (логарифмическим отношением интенсивности амплитуд
максимального и минимального регистрируемого сигналов).

14.

Операции с данными
В ходе информационного процесса данные преобразуются из
одного вида в другой с помощью методов. Обработка данных включает в
себя множество различных операций. По мере развития научнотехнического прогресса и общего усложнения связей в человеческом
обществе трудозатраты на обработку данных неуклонно возрастают.
В структуре возможных операций с данными можно выделить
следующие основные:
• сбор данных – накопление данных с целью обеспечения
достаточной полноты информации для принятия решений;
• формализация данных – приведение данных, поступающих из
разных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их
сопоставимыми между собой, то есть повысить их уровень доступности;
• фильтрация данных – отсеивание «лишних» данных, в которых
нет необходимости для принятия решений; при этом должен уменьшаться
уровень «шума», а достоверность и адекватность данных должны
возрастать;
• сортировка данных – упорядочение данных по заданному
признаку с целью удобства использования; повышает доступность
информации;

15.

Операции с данными
• группировка данных – объединение данных по заданному
признаку с целью повышения удобства использования; повышает
доступность информации;
• архивация данных – организация хранения данных в удобной и
легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат на
хранение данных и повышает общую надежность информационного
процесса в целом;
• защита данных – комплекс мер, направленных на
предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;
• транспортировка данных – прием и передача (доставка и
поставка) данных между удаленными участниками информационного
процесса; при этом источник данных в информатике принято называть
сервером, а потребителя – клиентом;
• преобразование данных – перевод данных из одной формы в
другую или из одной структуры в другую. Преобразование данных часто
связано с изменением типа носителя, например книги можно хранить в
обычной бумажной форме, но можно использовать для этого и
электронную форму, и микрофотопленку.
Приведенный здесь список типовых операций с данными далеко
не полон.

16.

Основные структуры данных
Работа с большими наборами данных автоматизируется проще,
когда данные упорядочены, то есть образуют заданную структуру.
Существует три основных типа структур данных: линейная, иерархическая и табличная. Их можно рассмотреть на примере обычной книги.
Если разобрать книгу на отдельные листы и перемешать их, книга
потеряет свое назначение. Она по-прежнему будет представлять набор
данных, но подобрать адекватный метод для получения из нее
информации весьма непросто.
Если же собрать все листы книги в правильной последовательности, мы получим простейшую структуру данных – линейную. Такую
книгу уже можно читать, хотя для поиска нужных данных ее придется
прочитать подряд, начиная с самого начала, что не всегда удобно.
Для быстрого поиска данных существует иерархическая
структура. Так, например, книги разбивают на части, разделы, главы,
параграфы и т. п. В большинстве книг есть вспомогательная перекрестная
таблица, связывающая элементы иерархической структуры с
элементами линейной структуры, то есть связывающая разделы, главы и
параграфы с номерами страниц. В книгах с простой иерархической
структурой, ее принято называть оглавлением, а в книгах со сложной
структурой, - содержанием.

17.

Основные структуры данных
Линейные структуры (списки данных, вектора данных)
Линейные структуры – это списки. Список – это простейшая структура
данных, отличающаяся тем, что адрес каждого элемента данных однозначно
определяется его номером. Проставляя номера на отдельных страницах
рассыпанной книги, мы создаем структуру списка. Обычный журнал посещаемости занятий, например, имеет структуру списка, поскольку все студенты
группы зарегистрированы в нем под своими уникальными номерами. Списки,
состоящие из элементов равной длины, называют векторами данных.
Таким образом, линейные структуры данных (списки) – это упорядоченные структуры, в которых адрес элемента однозначно определяется
его номером.
Табличные структуры (таблицы данных, матрицы данных)
Табличные структуры отличаются от списочных тем, что элементы данных
определяются адресом ячейки, который состоит не из одного параметра, как в
списках, а из нескольких. Для двумерной таблицы адрес ячейки определяется
номерами строки и столбца. Нужная ячейка находится на их пересечении, а
элемент выбирается из ячейки. Если все элементы таблицы имеют равную
длину, их называют матрицами.
Таким образом, табличные структуры данных (матрицы) – это
упорядоченные структуры, в которых адрес элемента определяется номером
строки и номером столбца, на пересечении которых находится ячейка,
содержащая искомый элемент.

18.

Основные структуры данных
Многомерные таблицы. В жизни нередко приходится иметь дело с
таблицами, у которых количество измерений больше. Вот пример таблицы,
с помощью которой может быть организован учет учащихся.
Номер факультета:
3
Номер курса (на факультете):
2
Номер специальности (на курсе):
2
Номер группы в потоке одной специальности:
1
Номер учащегося в группе:
19
Размерность такой таблицы равна пяти, и для однозначного отыскания
данных об учащемся в подобной структуре надо знать все пять
параметров (координат).
Иерархические структуры данных
Данные, которые трудно представить в виде списка или таблицы,
часто представляют в виде иерархических структур. Иерархические
структуры также широко применяют в научных систематизациях и
всевозможных классификациях
В иерархической структуре адрес
каждого элемента определяется
путем доступа (маршрутом),
ведущим от вершины, структуры
к данному элементу.

19.

Основные структуры данных
Упорядочение структур данных
Списочные и табличные структуры являются простыми. Ими легко
пользоваться, поскольку адрес каждого элемента задается числом (для
списка), двумя числами (для двумерной таблицы) или несколькими числами
для многомерной таблицы. Они также легко упорядочиваются. Основным
методом упорядочения является сортировка. Данные можно сортировать по
любому избранному критерию, например: по алфавиту, по возрастанию
порядкового номера или по возрастанию какого-либо параметра.
Несмотря на многочисленные удобства, у простых структур данных есть и
недостаток – их трудно обновлять. Если, например, перевести студента из
одной группы в другую, изменения надо вносить сразу в два журнала
посещаемости; при этом в обоих журналах будет нарушена списочная
структура. Если переведенного студента вписать в конец списка группы,
нарушится упорядочение по алфавиту, а если его вписать в соответствии с
алфавитом, то изменятся порядковые номера всех студентов, которые
следуют за ним.
Таким образом, при добавлении произвольного элемента в
упорядоченную структуру списка может происходить изменение
адресных данных у других элементов. В журналах успеваемости это
пережить нетрудно, но в системах, выполняющих автоматическую обработку
данных, нужны специальные методы для решения этой проблемы.

20.

Основные структуры данных
Упорядочение структур данных (продолжение)
Иерархические структуры данных по форме сложнее, чем линейные и
табличные, но они не создают проблем с обновлением данных. Их легко
развивать путем создания новых уровней. Даже если в учебном заведении
будет создан новый факультет, это никак не отразится на пути доступа к
сведениям об учащихся прочих факультетов.
Недостатком иерархических структур является относительная
трудоемкость записи адреса элемента данных и сложность упорядочения.
Часто методы упорядочения в таких структурах основывают на
предварительной индексации, которая заключается в том, что каждому
элементу данных присваивается свой уникальный индекс, который
можно использовать при поиске, сортировке и т.п.
Адресные данные
Если данные хранятся в организованной структуре (причем любой), то
каждый элемент данных приобретает новое свойство (параметр), которое
называется адресом. Работать с упорядоченными данными удобнее, но
при этом происходит их размножение, поскольку адреса элементов данных
– это, тоже данные, и их тоже надо хранить и обрабатывать.

21.

Единицы представления данных
Существует множество систем представления данных, основанных
на различных системах счисления. Одна из них, принятая в информатике и
вычислительной технике – двоичный код. Наименьшей единицей такого
представления является бит – двоичный разряд. Совокупность двоичных
разрядов, выражающих числовые или иные данные, образует некий
битовый рисунок. Практика показывает, что с битовым представлением
удобнее работать, если этот рисунок имеет регулярную форму. В
настоящее время в качестве таких форм используются группы из восьми
битов, которые называются байтами.
Десятичное число
Двоичное число
1
1
0000 0001
2
10
0000 0010
…
…
…
255
11111111
Байт
1111 1111
Понятие о байте как о группе взаимосвязанных битов появилось
вместе с первыми образцами электронной вычислительной техники.
Долгое время оно было машиннозависимым, то есть для разных вычислительных машин длина байта была разной. Только в конце 60-х годов
понятие байта стало универсальным и машиннонезависимым (8 бит).

22.

Единицы измерения данных
Существует много различных систем и единиц измерения данных.
Каждая научная дисциплина и каждая область человеческой деятельности
может использовать свои, наиболее удобные или традиционно устоявшиеся единицы. В информатике для измерения данных используют тот факт,
что разные типы данных имеют универсальное двоичное представление, и потому вводят свои единицы данных, основанные на нем.
Наименьшей единицей измерения является байт. Поскольку одним
байтом чаще всего кодируется один символ текстовой информации, то для
текстовых документов размер в байтах соответствует лексическому объему
в символах.
Более крупная единица измерения – килобайт (Кбайт). Для вычислительной техники, работающей с двоичными числами, более удобно представление чисел в виде степени двойки, 1Кбайт равен 210 байт (1024 байт).
Более крупные единицы измерения данных образуются добавлением
префиксов мега-, гига-, тера-, пета-, ….
1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт
1 Гбайт = 1024 Мбайт = 230 байт
1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт
1 Пбайт = 1024 Тбайт = 250 байт …

23.

Единицы хранения данных
При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные
в наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый
доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение). Для обеспечения
доступа необходимо, чтобы данные имели упорядоченную структуру, а при
этом, как мы уже знаем, образуются адресные данные. Без них нельзя
получить доступ к нужным элементам данных, входящих в структуру.
В качестве единицы хранения данных принят объект переменной
длины, называемый файлом. Файл – это последовательность
произвольного числа байтов, обладающая уникальным именем.
Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В
этом случае тип данных определяет тип файла. В зависимости от типа
файла ему присваивается расширение соответствующего типа.
Расширение помогает определить к какому типу файлов относится данный
файл. Стандартно расширение имеет три буквы и записывается после
имени файла через точку.
Проще всего представить себе файл в виде безразмерного
канцелярского досье, в которое можно по желанию добавлять содержимое
или извлекать его оттуда. Поскольку в определении файла нет
ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов
(пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

24.

Понятие о файловой структуре
Требование уникальности имени файла очевидно – без этого невозможно
гарантировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной
техники требование уникальности имени обеспечивается автоматически –
создать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, нельзя.
Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в
данном случае называется файловой структурой. В качестве вершины
структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее
файлы группируются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы
вложенные каталоги (папки). Путь доступа к файлу начинается с имени
устройства и включает все имена каталогов (папок), через которые он проходит. В качестве разделителя используется символ «\» (обратная косая черта).
Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем
файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к
нему. Т.о., на одном носителе не может быть двух файлов с тождественными
полными именами.
Форма записи полного имени файла:
<имя носителя>\<имя каталога-1>\...\<имя каталога-N>\<собственное имя
файла>.<расширение>
P:\КАФЕДРЫ\ФПТ\ЕНД\ПОЛИВАНОВ\ЗАДАНИЯ ДЛЯ СТУДЕНТОВ\
1 СЕМЕСТР\ИНФОРМАТИКА КТЛ-171, КТМ-171, КЭЛ-171\Лекции.ppt
Для наглядности имена каталогов (папок) напечатаны прописными буквами.

25.

Классификация компьютеров
Существует достаточно много систем классификации
компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, наиболее
часто упоминаемые в технической литературе и средствах
массовой информации.
Классификация по назначению
Классификация по назначению – один из наиболее
ранних методов классификации. Он связан с тем, как
компьютер применяется. По этому принципу различают:
большие ЭВМ,
мини-ЭВМ,
микро-ЭВМ
персональные компьютеры.

26.

Классификация компьютеров
Большие ЭВМ – это самые мощные компьютеры. Их применяют для
обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей
народного хозяйства. За рубежом компьютеры этого класса называют
мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие
ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ составляет до многих десятков
человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычислительные
центры, включающие в себя несколько отделов (групп).
Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и
обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по
непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные
вычисления планируют на ночные часы. В дневное время ЭВМ исполняет
менее трудоемкие, но более
многочисленные задачи. При этом для
повышения эффективности компьютер
работает одновременно с несколькими
задачами и, соответственно, с
несколькими пользователями. Такое
распределение ресурсов вычислительной системы носит название
принципа разделения времени.

27.

Классификация компьютеров
Мини-ЭВМ – От больших ЭВМ компьютеры этой группы
отличаются уменьшенными размерами и, соответственно, меньшей
производительностью и стоимостью. Такие компьютеры ранее
использовались крупными предприятиями, научными учреждениями,
банками и некоторыми высшими учебными заведениями, сочетающими
учебную деятельность с научной.
На крупных промышленных предприятиях мини-ЭВМ управляют
производственными процессами, но могут сочетать управление
производством с другими задачами. Например, они могут помогать
экономистам в осуществлении контроля себестоимости продукции;
нормировщикам в оптимизации времени
технологических операций; конструкторам в
автоматизации проектирования станочных
приспособлений, бухгалтерии в
осуществлении учета первичных документов
и подготовки различных отчетов. Для
организации работы с мини-ЭВМ тоже
требуется специальный вычислительный
центр, но не такой многочисленный, как для
больших ЭВМ.

28.

Классификация компьютеров
Микро-ЭВМ
Компьютеры данного класса доступны многим предприятиям.
Организации, использующие микро-ЭВМ, обычно не создают
вычислительные центры. Для обслуживания такого компьютера им
достаточно небольшой вычислительной лаборатории в составе нескольких
человек. Несмотря на относительно невысокую производительность по
сравнению с большими ЭВМ, микро-ЭВМ находят применение и в крупных
вычислительных центрах. Там им поручают вспомогательные операции,
для которых нет смысла использовать дорогие суперкомпьютеры.

29.

Классификация компьютеров
Персональные компьютеры (ПК)
Эта категория компьютеров получила особо бурное развитие в течение
последних тридцати лет. Такой компьютер предназначен для обслуживания
одного рабочего места. Как правило, с персональным компьютером работает
один человек. Несмотря на свои небольшие размеры и относительно
невысокую стоимость, современные персональные компьютеры обладают
немалой производительностью. Особенно широкую популярность
персональные компьютеры получили после 90-2000-х годовв связи с бурным
развитием Интернета.
Персонального компьютера вполне достаточно для использования сети
в качестве источника научной, справочной, учебной, культурной и
развлекательной информации. Персональные компьютеры являются также
удобным средством автоматизации учебного процесса по любым дисциплинам,
средством организации дистанционного обучения и средством организации
досуга. Они вносят большой вклад не только в производственные, но и в
социальные отношения. Их нередко используют для организации надомной
трудовой деятельности (фриланс).
До некоторого времени модели персональных компьютеров условно
рассматривали в двух категориях: бытовые ПК и профессиональные ПК. Бытовые
модели, как правило, имели меньшую производительность, но в них были приняты
особые меры для работы с цветной графикой и звуком, чего не требовалось для
профессиональных моделей.

30.

Классификация компьютеров
В связи с резким удешевлением средств вычислительной техники
границы между профессиональными и бытовыми моделями в значительной
степени стерлись, и сегодня в качестве бытовых нередко используют
высокопроизводительные профессиональные модели, а профессиональные
модели, в свою очередь, комплектуют устройствами для воспроизведения
мультимедийной информации, что ранее было характерно для бытовых
устройств.
Начиная с 1999 г. в области персональных компьютеров начал
действовать международный сертификационный стандарт – спецификация
РС99. Он устанавливает следующие категории персональных компьютеров:
• Consumer PC (массовый ПК);
• Office PC (деловой ПК);
• Mobile PC (портативный ПК);
• Workstation PC (рабочая станция);
• Entertainmemt PC (развлекательный ПК).
Большинство персональных компьютеров попадают в категорию
массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам
воспроизведения графики, а к средствам работы со звуком требования не
предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие
средств удаленного доступа (связи). В категории рабочих станций повышены
требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных
ПК – к средствам воспроизведения графики и звука.

31.

Классификация компьютеров
Классификация по уровню специализации
По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и
специализированные. На базе универсальных компьютеров можно собирать
вычислительные системы произвольного состава (состав компьютерной
системы называется конфигурацией).
Специализированные компьютеры предназначены для решения
конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые
компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов.
Компьютеры, интегрированные в бытовую технику тоже относятся к
специализированным.
Специализированные мини-ЭВМ, ориентированные на работу с
графикой, называют графическими станциями. Их используют при подготовке
кино- и видеофильмов, а также рекламной продукции.
Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры
предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами. Компьютеры,
обеспечивающие передачу информации между различными участниками
всемирной компьютерной сети, называют сетевыми серверами.
Во многих случаях с задачами специализированных компьютерных
систем могут справляться и обычные универсальные компьютеры, но
считается, что использование специализированных систем эффективнее.
Критерием оценки эффективности выступает отношение производительности
оборудования к величине его стоимости.

32.

Классификация компьютеров
Классификация по типоразмерам
Персональные компьютеры можно классифицировать по типоразмерам.
Так, различают настольные, портативные, карманные модели.
Настольные модели распространены наиболее широко. Они являются
принадлежностью рабочего места. Эти модели отличаются простотой
изменения конфигурации за счет несложного подключения дополнительных
внешних приборов или установки дополнительных внутренних компонентов.
Достаточные размеры корпуса в настольном исполнении позволяют
выполнять большинство подобных работ без привлечения специалистов, а это
позволяет настраивать компьютерную систему оптимально для решения
именно тех задач, для которых она была приобретена.
Портативные модели (ноутбуки, нетбуки и ультрабуки) удобны для
транспортировки. С портативным компьютером можно работать при
отсутствии рабочего места. Для эксплуатации на рабочем месте портативные
компьютеры не очень удобны, но их можно подключать к настольным
компьютерам, используемым стационарно.
Карманные модели выполняют функции «интеллектуальных записных
книжек». Они позволяют хранить оперативные данные и получать к ним
быстрый доступ. Некоторые карманные модели имеют жестко встроенное
программное обеспечение, что облегчает непосредственную работу, но
снижает гибкость в выборе прикладных программ. Сегодня их вытеснили
смартфоны и планшеты.

33.

Базовая конфигурация персонального компьютера
Персональный компьютер – универсальная техническая
система. Его конфигурацию (состав оборудования) можно гибко
изменять по мере необходимости. Тем не менее, существует
понятие базовой конфигурации, которую считают типовой. Базовая
конфигурация ПК – минимальный комплект аппаратных средств,
достаточный для начала работы с компьютером. В настоящее
время в базовой конфигурации рассматривают четыре устройства:
• системный блок;
• монитор;
• клавиатуру;
• мышь.

34.

Базовая конфигурация персонального компьютера
Системный блок
Системный блок представляет собой основной узел, внутри
которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства,
находящиеся внутри системного блока, называют внутренними, а
устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними.
Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода,
вывода и длительного хранения данных, также называют
периферийными.
По внешнему виду системные
блоки различаются формой корпуса.
Корпуса персональных компьютеров
выпускают
в
горизонтальном
(desktop) и вертикальном (tower)
исполнении.

35.

Базовая конфигурация персонального компьютера
Монитор
Монитор – устройство визуального представления данных. Это не
единственно возможное, но главное устройство вывода. Основными
потребительскими параметрами являются: размер экрана, максимальная
частота регенерации изображения, класс защиты.
Размер экрана измеряется между противоположными углами экрана
кинескопа по диагонали. Единица измерения – дюймы. Стандартные
размеры: 14"; 15"; 17"; 19"; 20"; 21". В настоящее время наиболее
универсальными являются мониторы размером 19 и более дюймов, а для
операций с графикой желательны мониторы размером более 21 дюйма.
Частота регенерации (обновления) изображения показывает, сколько
раз в течение секунды монитор может полностью сменить изображение
(поэтому ее также называют частотой кадров). Чем она выше, тем четче
и устойчивее изображение, тем меньше утомление, тем больше времени
можно работать с компьютером непрерывно. Минимальным считают
значение 75 Гц, нормативным – 85 Гц и комфортным – 100 Гц и более.
Класс защиты монитора определяется стандартом, которому
соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности.

36.

Базовая конфигурация персонального компьютера
Клавиатура
Клавиатура – клавишное устройство управления персональным
компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых (знаковых) данных,
а также команд управления. Комбинация монитора и клавиатуры
обеспечивает простейший интерфейс пользователя. С помощью
клавиатуры управляют компьютерной системой, а с помощью монитора
получают от нее отклик.
Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш, функционально
распределенных по нескольким группам:
1. Группа алфавитно-цифровых клавиш предназначена для ввода
знаковой информации и команд, набираемых по буквам. Для разных
языков существуют различные схемы закрепления символов
национальных алфавитов за конкретными алфавитно-цифровыми
клавишами.
2. Группа функциональных клавиш включает двенадцать клавиш
(от F1 до F12), размещенных в верхней части клавиатуры. Функции,
закрепленные за данными клавишами, зависят от свойств конкретной
работающей в данный момент программы, а в некоторых случаях и от
свойств операционной системы.
3. Служебные клавиши располагаются рядом с клавишами
алфавитно-цифровой группы. К ним относятся: клавиши SHIFT и ENTER,
регистровые клавиши ALT и CTRL, клавиша TAB, клавиша ESC и клавиша
BACKSPACE.

37.

Базовая конфигурация персонального компьютера
Клавиатура
4. Две группы клавиш управления курсором расположены справа
от алфавитно-цифровой панели. Курсором называется экранный элемент,
указывающий место ввода знаковой информации. Клавиши управления
курсором позволяют управлять позицией ввода.
Традиционное назначение клавиши INSERT состоит в переключении
режима ввода данных (переключение между режимами вставки и замены).
Клавиша DELETE предназначена для удаления знаков, находящихся
справа от текущего положения курсора. При этом положение позиции
ввода остается неизменным.
5. Группа клавиш дополнительной панели дублирует действие
цифровых и некоторых знаковых клавиш основной панели.
Средства настройки клавиатуры относятся к системным и обычно входят в
состав операционной системы. Кроме параметров режима повтора
настройке подлежат также используемые раскладки и органы управления,
используемые для переключения раскладок.

38.

Базовая конфигурация персонального компьютера
Мышь
Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Перемещение
мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением графического
объекта (указателя мыши) на экране монитора.
Компьютером управляют перемещением мыши по плоскости и
кратковременными нажатиями правой и левой кнопок. Эти нажатия называются
щелчками. В отличие от клавиатуры мышь не может напрямую использоваться
для ввода знаковой информации – ее принцип управления является событийным.
Комбинация монитора и мыши обеспечивает наиболее современный тип
интерфейса пользователя, который называется графическим. Пользователь
наблюдает на экране графические объекты и элементы управления. С помощью
мыши он изменяет свойства объектов и приводит в действие элементы
управления компьютерной системой, а с помощью монитора получает от нее
отклик в наглядном виде.
Мышь имеет три кнопками или две с одним вращающимся регулятором кнопкой. Могут быть и дополнительные кнопки Их функции определяются тем
программным обеспечением, которое поставляется вместе с устройством.
К числу регулируемых параметров мыши относятся: чувствительность
(выражает величину перемещения указателя на экране при заданном линейном
перемещении мыши), функции левой и правой кнопок, а также чувствительность
к двойному нажатию (максимальный интервал времени, при котором два щелчка
кнопкой мыши расцениваются как один двойной щелчок).

39.

Внутренние устройства персонального компьютера
Материнская плата
Материнская плата – основная плата персонального компьютера. На ней
размещаются:
оперативная память (оперативное запоминающее устройство, ОЗУ) –
набор микросхем, предназначенных для временного хранения данных, когда
компьютер включен;
процессор – основная микросхема, выполняющая большинство
математических и логических операций;
постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) – микросхема,
предназначенная для длительного хранения данных, в том числе и когда
компьютер выключен;
микропроцессорный
комплект
(чипсет) – набор микросхем, управляющих
работой внутренних устройств компьютера и
определяющих основные функциональные
возможности материнской платы;
шины – наборы проводников, по
которым происходит обмен сигналами между
внутренними устройствами компьютера;
слоты и разъемы для подключения
остальных устройств.

40.

Внутренние устройства персонального компьютера
Оперативная память
Оперативная память (RAM – Random Access Memory) – это массив кристаллических
ячеек, способных хранить данные. Существует много различных типов оперативной
памяти, но, с точки зрения физического принципа действия, различают динамическую
память (DRAM) и статическую память (SRAM).
Ячейки динамической памяти (DRAM) можно представить в виде микроконденсаторов,
способных накапливать заряд на своих обкладках. Это наиболее распространенный и
экономически доступный тип памяти. Недостатком является следующее: если
оперативную память постоянно не «подзаряжать», утрата данных происходит через
несколько сотых долей секунды. Для борьбы с этим явлением в компьютере происходит
постоянная регенерация (освежение, подзарядка) ячеек оперативной памяти. Регенерация
осуществляется несколько десятков раз в секунду и вызывает непроизводительный расход
ресурсов вычислительной системы.
Ячейки статической памяти (SRAM) можно представить как электронные
микроэлементы – триггеры, состоящие из нескольких транзисторов. В триггере
хранится не заряд, а состояние (включен/выключен), поэтому этот тип памяти
обеспечивает более высокое быстродействие, хотя технологически он сложнее и,
соответственно, дороже.
Микросхемы динамической памяти используют в качестве основной оперативной памяти
компьютера. Микросхемы статической памяти используют в качестве вспомогательной
памяти (так называемой кэш-памяти), предназначенной для оптимизации работы
процессора.

41.

Процессор
Процессор – основная микросхема компьютера, в которой и производятся
все вычисления. Конструктивно процессор состоит из ячеек, похожих на ячейки
оперативной памяти, но в этих ячейках данные могут не только храниться, но и
изменяться. Внутренние ячейки процессора называют регистрами.
С остальными устройствами компьютера, и в первую очередь с
оперативной памятью, процессор связан несколькими группами проводников,
называемых шинами. Основных шин три: шина данных, адресная шина и
командная шина.
Совокупность всех возможных команд, которые может выполнить
процессор над данными, образует так называемую систему команд процессора.
Процессоры, относящиеся к одному семейству, имеют одинаковые или близкие
системы команд, относящиеся к разным семействам, различаются по системе
команд и невзаимозаменяемы.
Группы процессоров, имеющих ограниченную совместимость,
рассматривают как семейства процессоров. Так, например, все процессоры Intel
относятся к так называемому семейству х86.
Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение,
разрядность, рабочая тактовая частота, размер кэш-памяти.
Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата,
поэтому разным маркам процессоров соответствуют разные материнские платы
(их надо выбирать совместно).

42.

Процессор
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз
быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной
памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной
памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэшпамять. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны
данные, он сначала обращается в кэш-память, и только если там нужных
данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок
данных из оперативной памяти, процессор заносит его одновременно и в кэшпамять. «Удачные» обращения в кэш-память называют попаданиями в кэш.
Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтому
высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом кэшпамяти.

43.

Микросхема ПЗУ и система BIOS
В момент включения компьютера в его оперативной памяти нет ничего – ни
данных, ни программ, поскольку оперативная память не может ничего хранить без
подзарядки ячеек более сотых долей секунды, но процессору нужны команды, в
том числе и в первый момент после включения. Поэтому сразу после включения
на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит
аппаратно, без участия программ (всегда одинаково). Процессор обращается по
выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по
программам.
Этот исходный адрес указывает на другой тип памяти – постоянное
запоминающее устройство (ПЗУ). Микросхема ПЗУ способна длительное время
хранить информацию, даже когда компьютер выключен. Программы, находящиеся
в ПЗУ, называют «зашитыми» – их записывают туда на этапе изготовления
микросхемы.
Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует базовую систему вводавывода (BIOS – Basic Input Output System). Основное назначение программ этого
пакета состоит в том, чтобы проверить состав и работоспособность компьютерной
системы и обеспечить взаимодействие с клавиатурой, монитором, жестким диском
и дисководом гибких дисков. Программы, входящие в BIOS, позволяют наблюдать
на экране диагностические сообщения, сопровождающие запуск компьютера, а
также вмешиваться в ход запуска с помощью клавиатуры.

44.

Микросхема ПЗУ и система BIOS
Работа стандартных устройств может обслуживаться программами,
входящими в BIOS, но такими Для того чтобы начать работу с другим
оборудованием, программы, входящие в состав BIOS, должны знать, где можно
найти нужные параметры. Специально для этого на материнской плате есть
микросхема «энергонезависимой памяти», называемая CMOS. От оперативной
памяти она отличается тем, что ее содержимое не стирается во время выключения
компьютера, а от ПЗУ она отличается тем, что данные в нее можно заносить и
изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование входит в
состав системы. Эта микросхема постоянно подпитывается от небольшой
батарейки, расположенной на материнской плате.
В микросхеме CMOS хранятся данные о жестких дисках, о процессоре, о
некоторых других устройствах материнской платы. Тот факт, что компьютер четко
отслеживает время и календарь (даже и в выключенном состоянии), тоже связан с
тем, что показания системных часов постоянно хранятся (и изменяются) в CMOS.
Таким образом, программы, записанные в BIOS, считывают данные о составе
оборудования компьютера из микросхемы CMOS, после чего они могут выполнить
обращение к жесткому диску и передать управление тем программам, которые там
записаны.

45.

Жесткий диск
Жесткий диск – основное устройство для долговременного хранения
больших объемов данных и программ. На самом деле это не один диск, а группа
соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой
скоростью. Таким образом, этот «диск» имеет не две поверхности, как должно
быть у обычного плоского диска, а 2п поверхностей, где п – число отдельных
дисков в группе. Над каждой поверхностью располагается головка,
предназначенная для чтения-записи данных.
Управление работой жесткого диска выполняет специальное аппаратнологическое устройство – контроллер жесткого диска. В прошлом оно
представляло собой отдельную дочернюю плату, которую подключали к одному
из свободных слотов материнской платы. В настоящее время функции
контроллеров дисков выполняют микросхемы, входящие в микропроцессорный
комплект (чипсет), хотя некоторые виды высокопроизводительных контроллеров
жестких дисков по-прежнему поставляются на отдельной плате.
К основным параметрам жестких дисков относятся емкость и
производительность.

46.

Видеокарта (видеоадаптер)
Совместно с монитором видеокарта образует видеоподсистему
персонального компьютера.
Разрешение экрана является одним из важнейших параметров
видеоподсистемы. Чем оно выше, тем больше информации можно отобразить на
экране, но тем меньше размер каждой отдельной точки и, тем самым, тем меньше
видимый размер элементов изображения. Использование завышенного
разрешения на мониторе малого размера приводит к тому, что элементы
изображения становятся неразборчивыми и работа с документами и программами
вызывает утомление органов зрения. Использование заниженного разрешения
приводит к тому, что элементы изображения становятся крупными, но на экране их
располагается очень мало. Если программа имеет сложную систему управления и
большое число экранных элементов, то они не полностью помещаются на экране.
Это приводит к снижению производительности труда и неэффективной работе.
Таким образом, для каждого размера монитора существует свое оптимальное
разрешение экрана, которое должен обеспечивать видеоадаптер.
Цветовое разрешение (глубина цвета) определяет количество различных
оттенков, которые может принимать отдельная точка экрана. Максимально
возможное цветовое разрешение зависит от свойств видеоадаптера и, в первую
очередь, от количества установленной на нем видеопамяти. Кроме того, оно
зависит и от установленного разрешения экрана. При высоком разрешении экрана
на каждую точку изображения приходится отводить меньше места в видеопамяти,
так что информация о цветах вынужденно оказывается более ограниченной.

47.

Звуковая карта
Звуковая карта явилась одним из наиболее поздних
усовершенствований персонального компьютера. Она подключается к
одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет
вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки.
Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к
выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить
звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для
подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и
сохранять их на жестком диске для последующей обработки и
использования.
Основным параметром звуковой карты является разрядность,
определяющая количество битов, используемых при преобразовании
сигналов из аналоговой в цифровую форму и наоборот. Чем выше
разрядность, тем меньше погрешность, связанная с оцифровкой, тем
выше качество звучания. Наибольшее распространение имеют 32разрядные и 64-разрядные устройства.

48.

Периферийные устройства персонального компьютера
Периферийные устройства персонального компьютера подключаются к
его интерфейсам и предназначены для выполнения вспомогательных
операций. Благодаря им компьютерная система приобретает гибкость и
универсальность.
По назначению периферийные устройства можно подразделить на:
• устройства ввода данных;
• устройства вывода данных;
• устройства хранения данных;
• устройства обмена данными.

49.

Устройства ввода данных
Клавиатура является основным устройством ввода данных. Существуют
специальные клавиатуры, предназначены для повышения эффективности
процесса ввода данных. Это достигается путем изменения формы клавиатуры,
раскладки ее клавиш или метода подключения к системному блоку.
Клавиатуры, имеющие специальную форму, рассчитанную с учетом
требований эргономики, называют эргономичными клавиатурами. Их
целесообразно применять на рабочих местах, предназначенных для ввода
большого количества знаковой информации.
По методу подключения к системному блоку различают проводные и
беспроводные клавиатуры. Передача информации в беспроводных системах
осуществляется радиосигналом. Обычный радиус действия таких клавиатур
составляет несколько метров. Источником сигнала является клавиатура.
Кроме обычной мыши существуют и другие типы манипуляторов, например:
трекболы, пенмаусы.
Трекбол в отличие от мыши устанавливается стационарно, и его шарик
приводится в движение ладонью руки. Преимущество трекбола состоит в том, что
он не нуждается в гладкой рабочей поверхности, поэтому трекболы нашли
применение в персональных компьютерах общего пользования (например, в
банках, ИФЦ и т.д.).
Пенмаус представляет собой аналог шариковой авторучки, на конце которой
вместо пишущего узла установлен узел, регистрирующий величину перемещения.

50.

Устройства ввода данных
Для компьютерных игр и в некоторых специализированных имитаторах
применяют также манипуляторы рычажно-нажимного типа (джойстики) и
аналогичные им джойпады, геймпады и штурвально-педальные устройства.
Для ввода графической информации используют сканеры, графические
планшеты (дигитайзеры) и цифровые фотокамеры. С помощью сканеров можно
вводить и знаковую информацию. В этом случае исходный материал вводится в
графическом виде, после чего обрабатывается специальными программными
средствами (программами распознавания образов).
Планшетные сканеры. Планшетные сканеры предназначены для ввода
графической информации с прозрачного или непрозрачного листового материала.
Принцип действия этих устройств состоит в том, что луч света, отраженный от
поверхности материала (или прошедший сквозь прозрачный материал),
фиксируется специальными элементами, называемыми приборами с зарядовой
связью (ПЗС). Обычно элементы ПЗС конструктивно оформляют в виде линейки,
располагаемой по ширине исходного материала. Перемещение линейки
относительно листа бумаги выполняется механическим протягиванием линейки
при неподвижной установке листа или протягиванием листа при неподвижной
установке линейки.
Сканеры форм. Предназначены для ввода данных со стандартных форм,
заполненных механически или вручную. Необходимость в этом возникает при
проведении переписей населения, обработке результатов голосований ЕГЭ и ОГЭ
и анализе анкетных данных.

51.

Устройства ввода данных
От сканеров форм не требуется высокой точности сканирования, но
быстродействие играет повышенную роль и является основным потребительским
параметром.
Штрих-сканеры. Эта разновидность ручных сканеров предназначена для ввода
данных, закодированных в виде штрих-кода. Такие устройства имеют
применение в розничной торговой сети.
Графические планшеты (дигитайзеры). Эти устройства предназначены для
ввода художественной графической информации. Существует несколько
различных принципов действия графических планшетов, но в основе всех их
лежит фиксация перемещения специального пера относительно планшета. Такие
устройства удобны для художников и иллюстраторов, поскольку позволяют им
создавать экранные изображения привычными приемами, наработанными для
традиционных инструментов (карандаш, перо, кисть).
Цифровые фотокамеры. Как и сканеры, эти устройства воспринимают
графические данные с помощью приборов с зарядовой связью, объединенных в
прямоугольную матрицу. Основным параметром цифровых фотоаппаратов
является разрешающая способность, которая напрямую связана с количеством
ячеек ПЗС в матрице.