Введение

 

Одной из основных задач системы образования в период перехода современного общества к информационной эпохе развития является проблема формирования основ информационной культуры будущего специалиста. Потребность общества в квалифицированных кадрах, владеющих арсеналом средств и методов информатики, превращается в ведущий фактор образовательной политики. Стремительное развитие средств вычислительной техники и связи, проникновение информационных технологий почти во все сферы жизни требуют серьезного изучения информатики.

Роль информатики в современных условиях постоянно возра­стает. Деятельность, как отдельных людей, так и целых органи­заций все в большей степени зависит от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информа­цию.

Внедрение компьютеров, современных средств переработки и передачи информации в различные индустрии послужило на­чалом процесса, называемогоинформатизацией общества. Со­временное материальное производство и другие сферы деятельно­сти все больше нуждаются в информационном обслуживании, переработке огромного количества информации. Результатом процесса информатизации является создание ин­формационного общества, где манипулируют не материальными объектами, а идеями, образами, интеллектом, знаниями. Для каж­дой страны ее движение от индустриального этапа развития к информационному определяется степенью информатизации об­щества.

Внедрение персонального компьютера в информационную сфе­ру и применение телекоммуникационных средств связи определи­ли новый этап развития информационной технологии. Новая ин­формационная технология - это информационная технология с «дружественным» интерфейсом работы пользователя, использу­ющая персональные компьютеры и телекоммуникационные сред­ства. Новая информационная технология базируется на принципах интерактивности, интегрированности с другими программными продуктами и гибкости процесса изменения данных.

Типовая программа дисциплины «Информатика», изучаемой студентами института на первом курсе, включает большой объем теоретического и практического материала. Однако ограниченность аудиторных часов не позволяет в полной мере изложить необходимую информацию.

Предлагаемый конспект лекций составлен в соответствии с типовой программой дисциплины «Информатика» и содержит восемь тем. Следует обратить внимание, что предлагаемое издание является лишь кратким конспектом лекций и не может содержать всех необходимых сведений. Так, основные определения в тексте выделены полужирным шрифтом, а объяснение терминов, выделенных курсивом, можно найти в электронном варианте конспекта лекций, размещенного на серверах кафедры «Инженерная кибернетика». Для успешного и всестороннего освоения материала следует воспользоваться и другими источниками.

 

ЛЕКЦИЯ  № 1

Введение.  Информатика и информация. Арифметические и логические  основы компьютеров

 

Содержание лекции:

- предмет и основные определения информатики; математические основы информатики; кодирование числовой информации.

 

Цель лекции:

- изучить основные структуры информационного процесса; способы представления числовой и символьной информации; основы алгебры логики.

 

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.

Слово информатика происходит от французского слова Informatique, образованного в результате объединения терминов: Informacion (информация) иAutomatique (автоматика), что выражает ее суть как науки об автоматическом обработке информации.  Этот термин используется в ряде стран Восточной Европы. В большинстве стан Западной Европы и США используется термин Computer Science (наука о средствах вычислительной техники).

Информатика тесно связана с кибернетикой, но не тожде­ственна ей. Кибернетика изучает общие закономерности процес­сов управления сложными системами в разных областях челове­ческой деятельности независимо от наличия или отсутствия ком­пьютеров. Информатика же изучает общие свойства только кон­кретных информационных систем. Информатику можно рассматривать как науку, как техноло­гию и как индустрию.

Информатика как наука объединяет группу дисциплин, за­нимающихся изучением различных аспектов свойств информации в информационных процессах, а также применением алго­ритмических, математических и программных средств для ее об­работки с помощью компьютеров.

Информатика как технология включает в себя систему про­цедур компьютерного преобразования информации с целью ее формирования, хранения, обработки, распространения и исполь­зования. Информационная технология представляет собой процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи дан­ных для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления. Цель информационной техноло­гии — производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия. Систе­му, организующую, хранящую и преобразующую информацию, называют информационной системой. Подавляющее большинство современных информационных сис­тем являются автоматизированными. В совре­менных условиях основным техническим средством обработки ин­формации является персональный компьютер.

Информатика как индустрия — это инфраструктурная от­расль, обеспечивающая все сферы деятельности человека необходимыми информационными ресурсами.

Информация — это сведения об объектах и явлениях окружа­ющей среды, их параметрах, свойствах и состояниях, которые уменьшают имеющуюся степень неопределенности, неполноты знаний о них. Различные фазы преобразования информации рассматриваются как единый информационный процесс, направленный на удовлетворение информационных потребностей человечества.

Основные формы представления информации: символьная (основана на использовании различных символов), текстовая (текст — это символы, расположенные в определенном порядке), графическая (различные виды изображений), звуковая.

Данными называется информация, пред­ставленная в удобном для обработки виде.  Информация же представляет собой обработанные данные.

Совокупность символов, соглашений и правил, используемых для общения, отображения, передачи информации в электронном виде, то есть определенная знаковая система представления информации, называется языком.

Правила, по которым можно отобразить информацию называют кодом. Каждый образ при кодировании (шифровке) представлен отдельным знаком.

Набор знаков, в котором определен их порядок, формирует алфавит. Существует множество алфавитов. Особое значение имеют двоичные наборы, состоящие всего из двух знаков. Двоичный знак (binary digit) получил название “бит”.

Кодировать можно текстовую, графическую информацию и звуки.

При двоичном кодировании текстовой информации каждому символу сопоставляется его код - последовательность из фиксированного количества нулей и единиц. В большинстве современных компьютеров для хранения двоичного кода одного символа выделена последовательность из 8 нулей и единиц, называемая "байтом" (byte). Учитывая, что каждый бит принимает значение 0 или 1, количество их возможных сочетаний в байте равно 2⁸ = 256. Значит, с помощью 1 байта можно получить 256 разных двоичных комбинаций и отобразить с их помощью 256 различных символов, например, большие и малые буквы русского и латинского алфавитов, цифры, знаки препинания и т. д. Соответствие байтов и символов задается с помощью кодовой таблицы, в которой для каждого кода указывается соответствующий символ. Наиболее распространенными кодами являются АSCII (Аmerican Standart Code for Information Interchange – американский стандартный код для обмена информацией) и КОИ-8 (код обмена информации длиной 8 бит).

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами — как растровое изображение или как векторное изображение. Для каждого типа изображения используется свой способ кодирования.

Для записи звука выбирается система равноотстоящих друг от друга уровней напряжения сигнала и каждому из них ставится в соответствие определенный номер. Через равные небольшие промежутки времени измеряется уровень входного сигнала и определяется, к какому из стандартных уровней он ближе всего подходит; номер найденного уровня и записывается в память в качестве громкости звука в данный момент. При воспроизведении данные считываются, и с такой же самой, как и при записи, высокой частотой компьютер изменяет интенсивность звука в зависимости от прочитанных номеров уровней. Регулировка громкости при таком методе воспроизведения в самом прямом смысле осуществляется с помощью умножения: например, чтобы увеличить громкость вдвое, перед воспроизведением номер уровня необходимо также удвоить.

Таким образом, рассмотрев принципы хранения в ЭВМ различных видов информации, можно сделать важный вывод о том, что все они так или иначе преобразуются в числовую форму и кодируются набором нулей и единиц. Благодаря такой универсальности представления данных, если из памяти извлечь содержимое какой-нибудь ячейки, то принципиально невозможно определить, какая именно информация там закодирована: текст, число или картинка.

Наряду с битами и байтами для измерения количества информации в двоичных сообщениях используются и более крупные единицы (килобиты, мегабиты, гигабиты, гигабайты, мегабайты, килобайты).

Использование двоичного кодирования базируется на двоичной системе счисления.

Система счисления – способ представления любого числа с помощью алфавита символов, называемых цифрами. В повседневной жизни мы используем десятичную систему счисления. Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую.

Для описания того, как функционируют аппаратные средства компьютера, используется математический аппарат алгебры логики.

Алгебра логики — это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними. 

Логическое высказывание — это любое повествовательное предложение, в отношении которого можно однозначно сказать, истинно оно или ложно. Алгебра логики рассматривает любое высказывание только с одной точки зрения — является ли оно истинным или ложным.  Чтобы обращаться к логическим высказываниям, им назначают имена – имена логических переменных. Логические переменные могут принимать только два значения —   "истина"   или   "ложь", обозначаемые, соответственно,   "1"  и   "0". С помощью логических связок (определенных слов и словосочетаний) можно из уже заданных высказываний строить новые высказывания – составные выказывания. Высказывания, не являющиеся составными, называются элементарными. Истинность или ложность составных высказываний зависит от истинности или ложности элементарных высказываний. Каждые логические связки рассматриваются как операции над логическими высказываниями и имеют свое название и обозначение. С помощью логических переменных и символов логических операций любое высказывание можно формализовать, то есть заменить логической формулой. Определение логической формулы:

1) Всякая логическая переменная и символы "истина" ("1")  и "ложь"

("0") являются элементарными  формулами.

2) Если  А и В - формулы, то A. , А.В, АvВ, А=> B, А <=> В - формулы. Здесь определены правила образования новых формул из любых других.

3) Никаких других формул в алгебре логики нет.

Математический аппарат алгебры логики очень удобен для описания функционирования аппаратных средств компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере является двоичная, использующая цифры 1 и 0, а значений логических переменных тоже два: “1” и “0”. Из этого следует два вывода:

1) одни и те же устройства компьютера могут применяться для обработки и хранения как числовой информации, так и логических переменных;

2) на этапе конструирования аппаратных средств алгебра логики позволяет значительно упростить логические функции, описывающие функционирование схем компьютера, и, следовательно, уменьшить число элементарных логических элементов, из десятков тысяч которых состоят основные узлы компьютера.

Данные и команды представляются в виде двоичных последовательностей различной структуры и длины. Для реализации элементарной логической функции используются логические элементы компьютера - электронные схемы И, ИЛИ, НЕ, И—НЕ, ИЛИ—НЕ  и другие (вентили), а также триггер. С помощью этих схем можно реализовать любую логическую функцию, описывающую работу устройств компьютера. Обычно у вентилей бывает от двух до восьми входов и один или два выхода. Чтобы представить два логических состояния — “1” и “0” в вентилях, соответствующие им входные и выходные сигналы имеют один из двух установленных уровней напряжения. Высокий уровень обычно соответствует значению “истина” (“1”), а низкий — значению “ложь” (“0”).

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, которое выражает его логическую функцию, но не указывает на то, какая именно электронная схема в нем реализована. Это упрощает запись и понимание сложных логических схем. Работу логических элементов описывают с помощью таблиц истинности.

Каким же образом команды и данные записываются в памяти компьютера? Физическая память, к которой процессор имеет доступ по шине адреса, называется оперативной памятью (оперативным запоминающим устройством — ОЗУ). На самом нижнем уровне память компьютера можно рассматривать как массив битов. Для физической реализации битов и работы с ними идеально подходят логические схемы. Но процессору неудобно работать с памятью на уровне битов, поэтому реально ОЗУ организовано как последовательность байтов. Каждому байту соответствует свой уникальный адрес (его номер), называемыйфизическим. Диапазон значений физических адресов зависит от разрядности шины адреса процессора.

Помимо основной памяти программы могут использовать регистры.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1-5, 35-43].

 

ЛЕКЦИЯ № 2

Технические средства информатики

 

Содержание лекции:                        

- архитектура и классификация персональных компьютеров; принципы создания и работы вычислительной техники; микропроцессоры.

 

Цель лекции:

 - изучить основные устройства компьютера, их характеристики и назначение; структуру микропроцессора и его основные характеристики; функциональные характеристики ПК.

 

Компьютер — это многофункциональное электронное уст­ройство, предназначенное для накопления, обработки и передачи информации.

Существуют различные классификации компьютеров, одной из которых является классификация по областям применения, согласно которой различают: персональные компьютеры и рабочие станции, серверы, Х-терминалы, мейнфреймы, кластерные архитектуры.

Под архитектурой персонального компьютера понимается его логическая организация, структура и ресурсы, т. е. средства вычислительной системы, которые могут быть выделе­ны процессу обработки данных на определенный интервал вре­мени.

В первых ЭВМ для генерации нужных сигналов необходимо было с помощью переключателей выполнить ручное программирование всех логических схем. Использовалась десятичная логика, при которой каждый разряд представлялся десятичной цифрой и моделировался 10 электронными лампами. В зависимости от нужной цифры одна лампа включалась, остальные девять оставались выключенными. Известный немецкий математик Джон фон Нейман предложил схему ЭВМ с программой в памяти и двоичной логикой вместо десятичной. Логически машину фон Неймана составляли пять блоков (рисунок 2.1): оперативная память, арифметико-логическое устройство (АЛУ) с аккумулятором, блок управления, устройства ввода и вывода.

 

Рисунок 2.1 – Схема машины фон Неймана

В основу построения большинства компьютеров положены принципы, сформулированные Джоном фон Нейманом:

1) принцип программного управления - программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автомати­чески друг за другом в определенной последовательности.

2) принцип однородности памяти - программы и данные хранятся в одной и той же памяти; над командами можно выпол­нять те же действия, что и над данными.

3) принцип адресности - основная память структурно состоит из пронумерованных ячеек.

Компьютеры, построенные на этих принципах, имеют класси­ческую архитектуру.

Архитектура компьютера определяет принцип действия, информационные связи и взаимное соединение основных логичес­ких узлов компьютера, к которым относятся: центральный процессор, основная память, внешняя память,  периферийные устройства.

К аппаратному обеспечению вычислительных систем относятся устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию. Современные компьютеры имеют блочно-модульную конструкцию, то есть аппаратную конфигурацию можно собрать из готовых блоков и узлов.

Согласование между отдельными узлами и блоками выполняют с помощью переходных аппаратно-логических устройств – аппаратных интерфейсов.Интерфейсы делятся на последовательные и параллельные. Через последовательные интерфейсы данные передаются последовательно бит за битом, а через параллельный - одновременно группами битов. Количество бит, участвующих в одной посылке, определяется разрядностью интерфейса. Например, 8-разрядный параллельный интерфейс передает 1 байт (8 бит) за один цикл.

Конструктивно персональные компьютеры выполнены в виде центрального системного блока, к которому через специальные разъемы присоединяются другие устройства. В состав системно­го блока входят все основные узлы компьютера: блок питания, системная плата, накопитель на жестком магнитном диске, накопитель на гибком магнитном диске, накопитель на оптическом диске, разъемы для дополнительных устройств.

На системной (материнской) плате разме­щаются: микропроцессор, математический сопроцессор, генератор тактовых импульсов, микросхемы памяти, контроллеры внешних устройств, звуковая и видеокарты, таймер.

Микропроцессор - это центральный блок персонального компьютера, предназначенный для управления работой всех блоков машины и для выполнения арифметических и логических опера­ций над информацией. Микропроцессор выполняет следующие основные функции:

1)   чтение и дешифрацию команд из основной памяти;

2) чтение данных из основной памяти и регистров адаптеров внешних устройств;

3) прием и обработку запросов и команд от адаптеров на обслуживание внешних устройств;

4) обработку данных, а также их запись в основную память и регистры адаптеров внешних устройств;

5) выработку управляющих сигналов для всех прочих узлов и блоков компьютера.

В состав микропроцессора входят следующие устройства:

- арифметико-логическое устройство, предназначенное для вы­полнения всех арифметических и логических операций над числовой и символьной информацией;

- устройство управления, координирующее взаимодействие различ­ных частей компьютера;

- микропроцессорная память, предназначенная для кратковре­менного хранения, записи и выдачи информации, используемой в вычислениях непосредственно в ближайшие такты работы ма­шины;

- интерфейсная система микропроцессора, служащая для связи с другими устройствами компьютера.

К микропроцессору и системной шине наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и дополнитель­ные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улуч­шающие функциональные возможности микропроцессора. К ним относятся математический сопроцессор, контроллер прямого до­ступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерыва­ний и другие

Математический сопро­цессор имеет свою систему команд и работает параллельно с основным микропроцессором, но под его управлением. В результате выполнения операций ускоряется в десятки раз. Начиная с МП 80486 DX, модели микропроцессоров включа­ют в свою структуру математический сопроцессор. Контроллер прямого доступа к памяти освобождает микропро­цессор от прямого управления накопителями на магнитных дис­ках, что существенно повышает эффективное быстродействие ком­пьютера. Сопроцессор ввода-вывода за счет параллельной работы с микропроцессором значительно ускоряет выполнение процедур ввода-вывода при обслуживании нескольких внешних устройств, освобождает микропроцессор от обработки процедур ввода-выво­да, в том числе реализует режим прямого доступа к памяти. Контроллер прерываний обслуживает проце­дуры прерывания, принимает запрос на прерывание от внешних устройств, определяет уровень приоритета этого запроса и выдает сигнал прерывания в микропроцессор.

Все микропроцессоры можно разделить на группы:

1) микропроцессоры типа CISC с полным набором системы команд;

2) микропроцессоры типа RISC с усеченным набором систе­мы команд;

3) микропроцессоры типа VLIW со сверхбольшим команд­ным словом;

4) микропроцессоры типа MISC с минимальным набором си­стемы команд и весьма высоким быстродействием и другие.

Важнейшими характеристиками микропроцессора явля­ются: тактовая частота, разрядность процессора, адресное пространство.

Все контроллеры устройств взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных (системную шину). Системная шина выполняется в виде печатного мостика на материнской плате и обеспечивает три направ­ления передачи информации: между микропроцессором и основной памятью; между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств; между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств.

Порты ввода-вывода всех устройств через соответствующие разъемы (слоты) подключаются к шине либо непосредственно, либо через специальные контроллеры (адаптеры).

Основными функциональными характеристиками персональ­ного компьютера являются:

1) производительность, тактовая частота, быстродействие;

Производительность современных ЭВМ измеряют обычно в миллионах операций в секунду.

2) разрядность микропроцессора и кодовых шин интерфейса;

3) типы системного и локальных интерфейсов;

Разные типы интерфейсов обеспечивают разные скорости передачи информации между узлами машины, позволяют под­ключать разное количество внешних устройств и различные их виды.

4) емкость оперативной памяти;

Емкость оперативной памяти измеряется обычно в Мбайтах. Многие современные прикладные программы с оперативной па­мятью, имеющей емкость меньше 16 Мбайт, просто не работают либо работают, но очень медленно.

5) емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера);

Емкость винчестера измеряется обычно в Гбайтах.

6) тип и емкость накопителей на гибких магнитных дисках;

Сейчас применяются накопители на гибких магнитных дис­ках, использующие дискеты диаметром 3,5 дюйма, имеющие стан­дартную емкость 1,44 Мб.

7) наличие, виды и емкость кэш-памяти;

Наличие кэш-памяти емкостью 256 Кбайт увеличивает производитель­ность персонального компьютера примерно на 20%.

8) тип видеомонитора и видеоадаптера;

9) наличие и тип принтера;

10) наличие и тип накопителя на компакт дисках CD-ROM;

11) наличие и тип модема;

12) наличие и виды мультимедийных аудио и видеосредств;

13) имеющееся программное обеспечение и вид операционной системы;

14) аппаратная и программная совместимость с другими ти­пами ЭВМ;

15) возможность работы в вычислительной сети;

16) возможность работы в многозадачном режиме;

17) надежность;

18) стоимость, габариты и вес.

Дополнительную информацию по теме можно получить в [1, 5-8, 35-43].

 

Лекция № 3