«ИНФОРМАТИКА ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ Министерство образования и науки Российской Федерации ГОУ ВПО Тамбовский государственный технический университет А.В. ТЕРЕХОВ, А.В. ЧЕРНЫШОВ, В.Н. ЧЕРНЫШОВ ИНФОРМАТИКА Утверждено Ученым ...»

А.В. Терехов, А.В. Чернышов,

В.Н. Чернышов

ИНФОРМАТИКА

ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ

Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

А.В. ТЕРЕХОВ, А.В. ЧЕРНЫШОВ,

В.Н. ЧЕРНЫШОВ

ИНФОРМАТИКА

Утверждено Ученым советом университета в качестве учебного пособия для студентов специальностей 080801, 030501 Тамбов Издательство ТГТУ УДК 004(075) ББК з81я73 Т Рецензенты:

Кандидат технических наук, доцент Тамбовского ВВАИУРЭ П.А. Федюнин Кандидат технических наук, доцент М.Ю. Серегин Терехов, А.В.

Т35 Информатика : учеб. пособие / А.В. Терехов, А.В. Чернышов, В.Н. Чернышов. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. унта, 2007. – 128 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0677-6.

Представлены необходимые для изучения разделы курса «Информатика и программирование». Материал изложен с учетом того, что основные положения этого курса являются основой для более углубленного изучения в дальнейшем дисциплин «Высокоуровневые методы программирования», «Информационные технологии», «Компьютерные методы решения задач в юриспруденции» и др.

Предназначено для студентов дневного и заочного отделений специальности 080801 «Прикладная информатика в юриспруденции», также может быть полезно студентам дневного и заочного отделений специальности 030501 «Юриспруденция» и всем, изучающим дисциплину «Информатика».

УДК 004(075) ББК з81я ISBN 978-5-8265-0677-6 © ГОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет» (ТГТУ), чебное издание ТЕРЕХОВ Алексей Васильевич, ЧЕРНЫШОВ Алексей Владимирович, ЧЕРНЫШОВ Владимир Николаевич

ИНФОРМАТИКА

Учебное пособие Редактор Е.С. М о р д а с о в а Компьютерное макетирование Е.В. К о р а б л е в о й Подписано в печать 29.12. Формат 60 84/16. 7,44 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательско-полиграфический центр Тамбовского государственного технического университета 392000, Тамбов, Советская, 106, к. А.В. ТЕРЕХОВ, А.В. ЧЕРНЫШОВ, В.Н. ЧЕРНЫШОВ

ИНФОРМАТИКА

ИЗДАТЕЛЬСТВО ТГТУ

ВВЕДЕНИЕ

Со времени появления первых компьютеров прошло уже не одно десятилетие, превратившее их из технической диковины в уникальный инструмент, необходимый каждому современному специалисту, преумножающий его способности, помогающий решать более сложные поставленные задачи за меньший промежуток времени. Вместе с этим современные компьютерные технологии позволяют решать поставленные задачи с качеством заметно более высоким по сравнению с традиционными способами.

Объем информации увеличивается, по самым скромным оценкам, в геометрической прогрессии, а принятие понастоящему правильного решения зависит, прежде всего, от полноты, достоверности, оперативности предоставления необходимых информационных ресурсов и вместе с этим их доступности для максимально широкого круга заинтересованных лиц. Сегодня информацию рассматривают как один из основных ресурсов развития общества, а информационные системы и технологии как средство повышения производительности и эффективности работы современного специалиста.

Научным фундаментом процесса информатизации общества является информатика – естественная наука, основу которой составляют информационные процессы, протекающие в природе, обществе и технических системах. Ее методы в своем большинстве основаны на взаимодействии программных и аппаратных средств вычислительной техники с другими техническими средствами, с человеком и обществом. Ее цель – научное обоснование эффективных приемов создания, распределения и потребления всех типов информационных ресурсов и методологическое обеспечение разработки новых информационных систем. Ее центральная роль заключается в предоставлении своего аппарата и понятийной базы другим естественным, общественным и техническим дисциплинам.

Пособие ориентировано на получение студентами специальности «Прикладная информатика в юриспруденции» знаний по информатике, которые являются базой для качественного освоения других дисциплин, таких, как «Высокоуровневые методы информатики и программирования», «Информационные технологии» и др. Изложенный материал может быть полезен и студентам других специальностей, изучающих информатику.

1. ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАТИКА

Термин «информация» происходит от латинского informatio, что в переводе означает изложение, разъяснение.

В обыденной жизни под этим словом понимают сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим образом. В научных и официальных источниках этот термин трактуется по-разному. Так, например, ст. 2 Федерального закона от 27 июля 2006 г. № 149-ФЗ «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» дает следующее определение термина «информация». Информация – сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления.

В наиболее общем виде понятие информации можно выразить следующим образом. Информация – это отражение предметного мира с помощью знаков и сигналов.

В теории информации под этим термином понимается такое сообщение, которое содержит факты, неизвестные ранее потребителю и дополняющие его представление об изучаемом или анализируемом объекте (процессе, явлении). Другими словами, информация – сведения, которые должны снять в той или иной степени существующую у потребителя до их получения неопределенность, расширить его понимание объекта полезными (для потребителя) сведениями. По Шеннону, информация – это снятая неопределенность.

В процессе обработки информация может менять структуру и форму. Признаками структуры являются элементы информации и их взаимосвязь. Различают содержательную и формальную структуры. Содержательная структура естественно ориентирована на содержание информации, а формальная – на форму представления информации. Формы представления информации также различны. Основные из них – символьная (основанная на использовании символов – букв, цифр, знаков), текстовая (использует тексты – символы, расположенные в определенном порядке), графическая (различные виды изображений), звуковая.

В зависимости от области знаний различают научную, техническую, производственную, правовую и т.д. информацию.

Каждый из видов информации имеет свои особые смысловые нагрузку и ценность, требования к точности и достоверности, преимущественные технологии обработки, формы представления и носители (бумажные, магнитные и др.).

Информация – это неубывающий ресурс жизнеобеспечения. Объем информации с течением времени возрастает.

Особенно ярко это стало проявляться с середины XX в. В 70-е гг. объем информации удваивался каждые 5 – 7 лет. В 80-е гг.

удвоение происходило уже за 20 месяцев, а с 90-х – ежегодно. Такой хлынувший лавинообразный поток не дает человеку воспринять информацию в полной мере и требует информатизации всех сфер человеческой деятельности на основе использования современных информационных технологий (т.е. технологий, связанных с получением, обработкой и ее распространением (передачей)).

В повседневной практике такие понятия, как информация, данные, знания, часто рассматриваются как синонимы.

Однако это не совсем верно. Данными называется информация, представленная в удобном для обработки виде (технология автоматизированной обработки информации предполагает манипулирование отдельными информационными элементами).

Для автоматизации работы с данными, относящимися к разным типам, унифицируют форму их представления. Для этого используют кодирование данных. Примерами могут служить код Морзе, код ASCII, двоичное кодирование, которое используется в вычислительной технике. Знание – это проверенный практикой результат познания действительности, ее верное отражение в сознании человека. Знания рассматривают как констатацию фактов и их описание. Научное знание заключается в понимании действительности в ее прошлом, настоящем и будущем, в достоверном обобщении фактов, в том, что за случайным оно находит необходимое, закономерное, за единичным – общее, а на основе этого осуществляет предвидение.

Научное знание может быть как эмпирическим, так и теоретическим.

В области систем искусственного интеллекта знания связываются с логическим выводом: знания – это информация, на основании которой реализуется процесс логического вывода. Другими словами, на основании этой информации можно делать различные заключения по имеющимся в системе данным с помощью логического вывода.

В системах обработки информации под знаниями понимают сложноорганизованные данные, содержащие одновременно как фактографическую (регистрация некоторого факта), так и семантическую (смысловое описание зарегистрированного факта) информацию, которая может потребоваться пользователю при работе с данными.

Как и всякий объект, информация обладает определенными свойствами.

Наиболее важными требованиями, предъявляемыми к информации, являются: корректность, полезность, оперативность, точность, достоверность, устойчивость, достаточность.

Корректность информации обеспечивает ее однозначное восприятие всеми потребителями.

Ценность (или полезность) информации проявляется в том случае, если она способствует достижению стоящей перед потребителем цели.

Ценность информации – это свойство относительное: одна и та же информация имеет разную ценность для разных потребителей. С течением времени ценность информации уменьшается – она стареет. Однако следует иметь в виду, что старит информацию не само время, а появление новой информации, которая отвергает полностью или частично имеющуюся информацию, уточняет ее, дополняет, дает новое сочетание сведений, приводящее к получению дополнительного эффекта.

Оперативность отражает актуальность информации для необходимых расчетов и принятия решений в изменившихся условиях.

Точность определяет допустимый уровень искажения как исходной, так и результатной информации, при котором сохраняется эффективность функционирования системы.

Достоверность определяется свойством информации отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Достоверность информации измеряется доверительной вероятностью необходимой точности, т.е. вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра не отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.

Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности. Устойчивость информации определяется выбранной методикой ее отбора и формирования.

Достаточность (полнота) информации означает, что она содержит минимально необходимый объем сведений для принятия правильного решения. Неполная информация (недостаточная для принятия правильного решения) снижает эффективность принимаемых пользователем решений. Избыточность обычно снижает оперативность и затрудняет принятие решения, но зато делает информацию более устойчивой.

При передаче информации от источника к получателю используется некоторый носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, называют сигналом. Если при передаче сигнала одна из его характеристик (параметр сигнала) принимает конечное число значений, то такой сигнал (как и само сообщение) называют дискретным. Информация, передаваемая при этом, также будет дискретной. Если при передаче источник вырабатывает непрерывное сообщение, то в этом случае передаваемая информация будет непрерывной. Примером дискретного сообщения может быть процесс чтения книги, информация в котором представлена дискретной последовательностью букв. Примером непрерывного сообщения – человеческая речь, передаваемая звуковой волной.

Непрерывное сообщение всегда можно преобразовать в дискретное. Процесс такого преобразования называют дискретизацией.

Разработаны различные способы оценки количества информации. Чаще всего используется способ оценки, предложенный в 1948 г.

основоположником теории информации Клодом Шенноном. Как было отмечено выше, информация – это снятая неопределенность.

Степень неопределенности принято характеризовать с помощью понятия «вероятность».

Вероятность – величина, которая может принимать значения в диапазоне от 0 до 1. Она есть мера возможности наступления какого-либо события, которое может иметь место в одних случаях и не иметь места в других. Если событие никогда не может произойти, его вероятность считается равной 0. Если событие происходит всегда, его вероятность равна 1.

Чем больше вероятность события, тем больше уверенность в том, что оно произойдет, и тем меньше информации содержит сообщение об этом событии. Если вероятность события мала, то сообщение о том, что оно случилось, очень информативно.

Количество информации I, характеризующей состояние, в котором пребывает объект, можно определить, используя формулу Шеннона где n – число возможных состояний; p1,..., pn – вероятности отдельных состояний; log2 – функция логарифма при основании Знак минус перед суммой позволяет получить положительное значение для I, поскольку значение log2 pi всегда неположительно.

Единица информации называется битом. Термин «бит» предложен как аббревиатура от английского словосочетания «Binary digiT», которое переводится как «двоичная цифра».

1 бит информации – количество информации, посредством которого выделяется одно из двух равновероятных состояний объекта.

Формула Шеннона может быть использована и для оценки количества информации в непрерывных величинах.

При оценке количества дискретной информации часто используется также формула Хартли где n – число возможных равновероятных состояний; log2 – функция логарифма при основании 2.

Формула Хартли применяется в случае, когда вероятности состояний, в которых может находиться объект, одинаковые.

В общем случае справедливо утверждение, что количество информации в сообщении зависит от числа разнообразий, присущих источнику информации и их вероятностей.

В качестве примера определим количество информации на один знак при двоичном кодировании (т.е. при использовании алфавита, состоящего из двух знаков 0 и 1). Если считать, что со знаками 0 и 1 в двоичном алфавите связаны одинаковые вероятности их появления, то Таким образом, количество информации (в битах), заключенное в двоичном слове, равно числу двоичных знаков в нем.

В вычислительной технике при определении количества информации чаще используется объемный подход, суть которого в следующем.

Как уже было отмечено, в двоичной системе счисления знаки 0 и 1 называют битами (от английского выражения Binary digiTs – двоичные цифры). Создатели компьютеров отдают предпочтение именно двоичной системе счисления потому, что в техническом устройстве наиболее просто реализовать два противоположных физических состояния (некоторый физический элемент, имеющий два различных состояния: намагниченность в двух противоположных направлениях; прибор, пропускающий или нет электрический ток; конденсатор, заряженный или незаряженный и т.п.). В компьютере бит является наименьшей возможной единицей информации. Объем информации, записанной двоичными знаками в памяти компьютера или на внешнем носителе информации подсчитывается просто по количеству требуемых для такой записи двоичных символов. При этом, в частности, невозможно нецелое число битов (в отличие от вероятностного подхода).

Итак, если у нас есть один бит, то с его помощью мы можем закодировать один из двух символов – либо 0, либо 1.

Если же есть 2 бита, то из них можно составить один из четырех вариантов кодов: 00, 01, 10, 11.

Если есть 3 бита – один из восьми: 000, 001, 010, 100, 110, 101, 011, 111.

Закономерность очевидна: 1 бит – 2 варианта, 2 бита – 4 варианта, 3 бита – 8 вариантов, 4 бита – 16 вариантов.

Продолжая дальше, получим: N бит – 2N (т.е. 2 в степени N вариантов).

В обычной жизни нам достаточно 150 – 160 стандартных символов (больших и маленьких русских и латинских букв, цифр, знаков препинания, арифметических действий и т.п.). Если каждому из них будет соответствовать свой код из нулей и единиц, то 7 бит для этого будет недостаточно (7 бит позволят закодировать только 128 различных символов), поэтому используют 8 бит.

Для кодирования одного привычного человеку символа в ЭВМ используется 8 бит, что позволяет закодировать различных символов.

Стандартный набор из 256 символов называется ASCII (означает «Американский Стандартный Код для Обмена Информацией» – англ. American Standart Code for Information Interchange). Он включает в себя большие и маленькие русские и латинские буквы, цифры, знаки препинания и арифметические действия и т.п.

Каждому символу ASCII соответствует 8-битовый двоичный код.

Для удобства использования введены и более крупные, чем бит, единицы количества информации. Так, двоичное слово из восьми знаков содержит один байт информации, 1024 байта образуют килобайт (кбайт), 1024 килобайта – мегабайт (Мбайт), а 1024 мегабайта – гигабайт (Гбайт). В информатике смысл приставок кило-, мега- и других в общепринятом смысле выполняется не точно, а приближенно, поскольку соответствует увеличению не в 1000, а в 1024 раза.

Скорость передачи информации по линиям связи измеряется в бодах (1 бод = 1 бит/с). В частности, если говорят, что пропускная способность какого-то устройства составляет 28 Килобод, то это значит, что с его помощью можно передать по линии связи около 28 тыс. нулей и единиц за одну секунду.

Между вероятностным и объемным количеством информации соотношение неоднозначное. Далеко не всякий текст, записанный двоичными символами, допускает измерение объема информации в кибернетическом смысле, но заведомо допускает его в объемном. Если некоторое сообщение допускает измеримость количества информации в обоих смыслах, то они не обязательно совпадают, при этом кибернетическое количество информации не может быть больше объемного.

Система счисления – совокупность приемов и правил для записи чисел цифровыми знаками или символами.

Все системы счисления можно разделить на два класса: позиционные и непозиционные. В классе позиционных систем для записи чисел в различных системах счисления используется некоторое количество отличных друг от друга знаков. Число таких знаков в позиционной системе счисления называется основанием системы счисления. Ниже приведена табл. 1.1, содержащая наименования некоторых позиционных систем счисления и перечень знаков (цифр), из которых образуются в них числа.

В позиционной системе счисления относительной позиции цифры в числе ставится в соответствие весовой множитель, и число может быть представлено в виде суммы произведений коэффициентов на соответствующую степень основания системы счисления (весовой множитель):

(знак «,» отделяет целую часть числа от дробной. Таким образом, значение каждого знака в числе зависит от позиции, которую занимает знак в записи числа. Именно поэтому такие системы счисления называют позиционными).

Позиционная система счисления – система, в которой величина числа определяется значениями входящих в него цифр и их относительным положением в числе.

Примеры:

В данном примере цифра 3 в одном случае означает число единиц, а в другом – число сотых долей единицы.

Десятичный индекс внизу указывает основание системы счисления.

При работе с компьютерами приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисления (чаще всего двоичную, десятичную, восьмеричную и шестнадцатеричную), поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую. Заметим, что во всех приведенных выше примерах результат является десятичным числом, и, таким образом, способ перевода чисел из любой позиционной системы счисления в десятичную уже продемонстрирован.

В общем случае, чтобы перевести целую часть числа из десятичной системы в систему с основанием В, необходимо разделить ее на В. Остаток даст младший разряд числа. Полученное при этом частное необходимо вновь разделить на В – остаток даст следующий разряд числа и т.д. Деления продолжают до тех пор, пока частное не станет равным 0. Значения получившихся остатков, взятые в обратной последовательности, образуют искомое двоичное число.

Целая и дробная части переводятся порознь. Для перевода дробной части ее необходимо умножить на В. Целая часть полученного произведения будет первым (после запятой, отделяющей целую часть от дробной) знаком. Дробную же часть произведения необходимо вновь умножить на В. Целая часть полученного числа будет следующим знаком и т.д.

Пример перевода целой части:

Таким образом: 2510 = 110012.

Для перевода дробной части (или числа, у которого «0» целых) надо умножить ее на 2. Целая часть произведения будет первой цифрой числа в двоичной системе. Затем, отбрасывая у результата целую часть, вновь умножаем на 2 и т.д. Заметим, что конечная десятичная дробь при этом вполне может стать бесконечной (периодической) двоичной.

Пример перевода дробной части:

Таким образом: 0,7310 = 0,10112.

Над числами, записанными в любой системе счисления, можно производить различные арифметические операции.

Так, для сложения и умножения двоичных чисел необходимо использовать следующие правила:

Необходимо отметить, что при двоичном сложении 1 + 1 возникает перенос единицы в старший разряд – как и в десятичной арифметике:

С точки зрения изучения принципов представления и обработки информации в компьютере, обсуждаемые в этом пункте системы представляют большой интерес. Хотя компьютер «знает» только двоичную систему счисления, часто с целью уменьшения количества записываемых на бумаге или вводимых с клавиатуры компьютера знаков бывает удобнее пользоваться восьмеричными или шестнадцатеричными числами, тем более что, как будет показано далее, процедура взаимного перевода чисел из каждой из этих систем в двоичную очень проста – гораздо проще переводов между любой из этих трех систем и десятичной.

Перевод чисел из десятичной системы счисления в восьмеричную производится (по аналогии с двоичной системой счисления) с помощью делений и умножений на 8. Например, переведем число 58,3210:

Таким образом, 58,3210 = 72,243... 8 = 7 81 + 2 82 + 2 8–1 + 4 8–2 + 3 8– (из конечной дроби в одной системе может получиться бесконечная дробь в другой).

Перевод чисел из десятичной системы счисления в шестнадцатеричную производится аналогично.

С практической точки зрения представляет интерес процедура взаимного преобразования двоичных, восьмеричных и шестнадцатеричных чисел. Для этого воспользуемся табл. 1.2 чисел от 0 до 15 (в десятичной системе счисления), представленных в других системах счисления.

Для перевода любого целого двоичного числа в восьмеричное, необходимо разбить его справа налево на группы по цифры (самая левая группа может содержать менее трех двоичных цифр), а затем каждой группе поставить в соответствие ее восьмеричный эквивалент. Например:

Группу из трех двоичных цифр часто называют «двоичной триадой». Перевод целого двоичного числа в шестнадцатеричное производится путем разбиения данного числа на группы по 4 цифры – «двоичные тетрады»:

11000110110012 = 1 1000 1101 1001, т.е. 1100011011001 = 18D916.

Для перевода дробных частей двоичных чисел в восьмеричную или шестнадцатеричную системы аналогичное разбиение на триады или тетрады производится от точки вправо (с дополнением недостающих последних цифр нулями):

Перевод восьмеричных (шестнадцатеричных) чисел в двоичные производится обратным путем – сопоставлением каждому знаку числа соответствующей тройки (четверки) двоичных цифр.

Преобразования чисел из двоичной в восьмеричную и шестнадцатеричную системы и наоборот столь просты (по сравнению с операциями между этими тремя системами и привычной нам десятичной) потому, что числа 8 и 16 являются целыми степенями числа 2. Этой простотой и объясняется популярность восьмеричной и шестнадцатеричной систем в вычислительной технике и программировании.

Кроме рассмотренных выше позиционных систем счисления существуют такие, в которых значение знака не зависит от того места, которое он занимает в числе. Такие системы счисления называются непозиционными. Наиболее известным примером непозиционной системы является римская. В этой системе используется 7 знаков (I, V, X, L, С, D, М), которые соответствуют следующим величинам:

Примеры: III (три), LIX (пятьдесят девять), DLV (пятьсот пятьдесят пять). Недостатком непозиционных систем, из-за которых они представляют лишь исторический интерес, является отсутствие формальных правил записи чисел и, соответственно, арифметических действий над ними (хотя по традиции римскими числами часто пользуются при нумерации глав в книгах, веков в истории и др.).

Информатика – научное направление, занимающееся изучением законов, методов и способов накапливания, обработки и передачи информации с помощью ЭВМ и других технических средств, группа дисциплин, занимающихся различными аспектами применения и разработки ЭВМ: прикладная математика, программирование, программное обеспечение, искусственный интеллект, архитектура ЭВМ, вычислительные сети.

Основные направления информатики следующие.

Теоретическая информатика – математическая дисциплина, использующая методы математики для построения и изучения моделей обработки, передачи и использования информации, она создает тот теоретический фундамент, на котором строится все здание информатики.

Кибернетика – наука об управлении в живых, неживых и искусственных системах. Кибернетика может рассматриваться как прикладная информатика в области создания и использования автоматических или автоматизированных систем управления разной степени сложности: от управления отдельным объектом (станком, промышленной установкой, автомобилем и т.п.) – до сложнейших систем управления целыми отраслями промышленности, банковскими системами, системами связи и даже сообществами людей. Наиболее активно развивается техническая кибернетика, результаты которой используются для управления в промышленности и науке.

Программирование – сфера деятельности, направленная на создание отдельных программ и пакетов прикладных программ, разработку языков программирования, создание операционных систем, организацию взаимодействия компьютеров с помощью протоколов связи.

Искусственный интеллект, цель работ в области которого направлена на раскрытие тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению навыками, знаниями и умениями. Исследования в области искусственного интеллекта необходимы при создании роботов, создании баз знаний и экспертных на основе этих баз знаний систем, применение которых необходимо и в юридической деятельности.

Информационные системы – системы, предназначенная для хранения, поиска и выдачи информации по запросам пользователей. В юридической деятельности примером таких систем являются правовые информационные системы «Кодекс», «Гарант», «Консультант», информационные системы для хранения и поиска различных учетов (дактилоскопический, пофамильный, пулегильзотеки, похищенных и обнаруженных вещей и др.). Задача перевода всех учетов в электронную форму и организация доступа к ним через вычислительную сеть в настоящее время весьма актуальна.

Вычислительная техника – самостоятельное направление, в котором часть задач не имеет прямого отношения к информатике (микроэлектроника), однако при разработке, проектировании и производстве ЭВМ наиболее широко используются достижения информатики.

Защита информации – сфера деятельности, направленная на обобщение приемов, разработку методов и средств защиты данных.

Исторически слово информатика происходит от французского слова Informatique, образованного в результате объединения терминов Information (информация) и Automatique (автоматика). Несмотря на широкое использование термина информатика в ряде стран Восточной Европы, в большинстве стран Западной Европы и США используется другой термин – Computer Science (наука о средствах вычислительной техники).

В качестве источников информатики принято называть две науки: документалистику и кибернетику. Документалистика, предметом которой было изучение рациональных средств и методов повышения эффективности документооборота, сформировалась в конце XIX в. в связи с бурным развитием производственных отношений. Ее расцвет пришелся на 20 – 30-е гг.

XX в.

Наиболее близка к информатике техническая наука кибернетика (kyberneticos) – искусный в управлении, основы которой были заложены в 1948 г. американским математиком Норбертом Винером.

Интересно, что впервые термин кибернетика ввел французский физик Андре Мари Ампер в первой половине XIX в. Он занимался разработкой единой системы классификации всех наук и обозначил этим термином гипотетическую науку об управлении, которой в то время не существовало, но которая, по его мнению, должна была существовать.

Предметом кибернетики являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами – методы моделирования процессов принятия решений, связь между психологией человека и математической логикой, связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе, разработка принципов и методов искусственного интеллекта. На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники, что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

2.1. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Одним из первых простейших ручных приспособлений человека можно назвать абак, который появился в Азии в четвертом тысячелетии до н.э. Далее абак заменили счеты и другие механические приспособления, например, «механические часы» для операций сложения Вильгельма Шикарда (Германия, 1623 г.); «суммирующее устройство» – первый в мире серийный механический калькулятор Блеза Паскаля (Франция, г.); механический калькулятор (для умножения, сложения, вычитания и деления) Г.В. Лейбница (Германия, 1673 г.). Все эти устройства использовали жесткую логику работы. Лишь благодаря работам английского математика Чарльза Беббиджа (1792 – 1871) стала возможной идея гибкой автоматизации механических устройств. Эта идея используется и в современных компьютерах. Суть этой идеи, реализованной им в «аналитической машине», состоит в разделении команд (программ) и данных.

Но, несмотря на революционность идей, эти устройства были механическими. Лишь век электричества и появление более совершенных технологий (использование электронных реле, электронных ламп, полупроводниковых элементов, микросхем) позволили воплотить давнюю мечту в реальность. Вот лишь некоторые, наиболее характерные примеры таких устройств. В 1888 г. американец немецкого происхождения Герман Холлерит сконструировал первую счетную машину, использующую электрическое реле – табулятор. В 1945 г. Мочли и Экерт для упрощения процесса задания программ, стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. К этой работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Подавляющее большинство компьютеров в дальнейшем было сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Нейман.

Говоря об истории развития вычислительной техники, обычно выделяют поколения машин, беря за точку отсчета момент появления соответствующей электронной базы. Вычислительной техникой первого поколения принято называть ЭВМ, использовавшие электронные лампы ENIAC (США, 1946 г., масса 30 т), БЭСМ (СССР, 1951 г., быстродействие операций в секунду) и ряд других. Эти машины занимали громадные залы, весили сотни тонн и расходовали сотни киловатт электроэнергии. Их быстродействие и надежность были низкими, а стоимость достигала 500 – 700 тыс. долларов.

В 1948 г. благодаря изобретению транзисторов стало возможным появление более мощных и дешевых ЭВМ второго поколения.

В 1959 г. Роберт Нойс (будущий основатель фирмы Intel) изобрел метод, позволивший создать на одной пластинке и транзисторы, и все необходимые соединения между ними. Полученные электронные схемы стали называться интегральными схемами, или чипами. В 1970 г. фирма Intel начала продавать интегральные схемы памяти. Использование интегральных микросхем привело не только к резкому увеличению надежности ЭВМ, но и к снижению размеров, энергопотребления и стоимости (до 50 тыс. долларов) и ознаменовало эру ЭВМ третьего поколения.

В 1970 г. началась история ЭВМ четвертого поколения, когда ранее никому не известная американская фирма INTEL создала большую интегральную схему (БИС), содержащую в себе практически всю основную электронику компьютера (в 1971 г. появился первый микропроцессор Intel-4004). Цена одной такой схемы (микропроцессора) составляла всего несколько десятков долларов, что в итоге и привело к снижению цен на ЭВМ до уровня доступных широкому кругу пользователей.

Наиболее известными примерами машин данного поколения являются первый персональный компьютер Apple (1976 г.) и IBM PC (1981 г.). Фирма Apple по сей день является одним из крупнейших производителей персональных компьютеров и владельцем самого богатого и разнообразного программного обеспечения в мире.

В настоящее время во всем мире наибольшее распространение получили IBM-совместимые персональные компьютеры, примерно 80 % всего компьютерного парка. В нашей стране этот процент еще выше и достигает 99 %.

В период машин четвертого поколения стали также серийно производиться и суперЭВМ. Примером отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс «Эльбрус» с быстродействием до 1,2…108 оп/с.

С конца 1980-х гг. в истории развития вычислительной техники наступила пора пятого поколения ЭВМ.

Технологические, конструкторские, структурные и архитектурные идеи машин пятого поколения принципиально отличаются от машин предшествующих поколений. Прежде всего, их структура и архитектура отличаются от фоннеймановской (классической). Высокая скорость выполнения арифметических вычислений дополняется высокими скоростями логического вывода. В связи с появлением новой базовой структуры ЭВМ в машинах пятого поколения широко используются модели и средства, разработанные в области искусственного интеллекта.

Современное поколение вычислительных машин использует технологии интегральной схемотехники и сверхбольшие интегральные схемы. Разработчики вплотную приблизились к решению проблемы искусственного интеллекта. Но мечта человека о создании вычислительной машины, способной превысить или хотя бы сравняться с интеллектуальными возможностями человека, остается еще очень далекой. Вместе с тем можно с уверенностью сказать, что работы Intel по созданию искусственных нейронных сетей, которые были начаты в 1988 г., приблизили тот момент, когда искусственный мозг станет сердцем настольного компьютера. В 1989 г. уже был представлен первый рабочий образец нейропроцессора i80170NX. Вот лишь некоторые его характеристики: 3 млрд. соединений в секунду, алгоритм обучения отсутствует, процессор эмулирует работу 64 биологических нейронов (у созданного в 1993 г. i80160NC параметры еще выше: 10 млрд.

соед./с, возможность обучения).

Высокопараллельная архитектура, свойственная нейронным сетям, и ряд особенностей построения процессора позволили добиться быстродействия 2 млрд. операций в секунду! i80170NX является сердцем нейронной платыакселератора для ПЭВМ. Производительность такой платы с восемью процессорами составляет 16 млрд. операций в секунду! До последнего времени такая производительность была свойственна только лишь суперкомпьютерам!

К настоящему времени разработано большое число всевозможных плат ускорителей и специализированных нейровычислителей. Нейронные ЭВМ уже находят применение в различных сферах деятельности человека. В США действует система по обнаружению пластиковой взрывчатки в багаже авиапассажиров на основе нейронной сети. Большое внимание уделяется вопросу применения нейронных процессоров в системах коммутации в сетях передачи данных. Существуют системы аутентификации личности по отпечаткам пальцев с использованием нейросетей. В литературе описано и множество других случаев успешного применения нейронных процессоров.

Таким образом, мы с вами живем на переломном этапе в развитии информатики и вычислительной техники, и немалую роль в том, что он настал, сыграли нейронные процессоры фирмы Intel – первые ласточки эры нейронных компьютеров.

Еще один перспективный путь создания суперпроизводительных компьютеров – это использование вместо электрических сигналов световых сигналов, движущихся с гораздо большей скоростью.

Производительность современных ПК больше, чем у суперкомпьютеров, сделанных десять лет назад. Но возможно, через несколько лет обыкновенные персоналки будут работать со скоростью, которой обладают современные суперЭВМ.

2.2. ОСНОВНЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЧАСТИ ЭВМ

В соответствии с принципами функционирования универсальной вычислительной машины, предложенными Фон Нейманом, основные функциональные части компьютеров следующие: устройство ввода и вывода, устройство хранения информации, устройство обработки информации и управляющее устройство.

Взаимодействие между ними можно упрощенно изобразить в виде схемы:

На схеме двойные стрелки соответствуют движению данных (информация в ЭВМ называется данными). Человек вводит данные в компьютер через устройства ввода–вывода, эти данные могут храниться в устройствах хранения информации и обрабатываться в устройствах обработки информации. Полученные результаты также могут запоминаться в устройствах хранения информации и выдаваться человеку с помощью устройств ввода-вывода. Управляющие устройства управляют всем этим процессом, что изображено на схеме одинарными стрелками.

Так, в общих чертах, работают все ЭВМ, начиная с простейших калькуляторов и кончая суперкомпьютерами.

2.3. УСТРОЙСТВА ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ

Различают устройства хранения информации, реализованные в виде электронных схем, и накопители информации, при помощи которых данные записываются на какой-либо носитель, например магнитный или оптический (ранее использовались даже бумажные носители – перфокарты и перфоленты).

Устройства, представляющие собой электронные схемы, отличаются небольшим временем доступа к данным, но не позволяют хранить большие объемы информации. К таким устройствам относятся постоянное запоминающее устройство (ПЗУ, RОМ), оперативное запоминающее устройство (оперативная память, ОЗУ, RАМ).

Накопители информации на гибких и жестких магнитных дисках (винчестеры, Zip, JAZ, ORB), оптических (CD, CDRW, DVD) и магнитооптических дисках наоборот дают возможность хранить большие объемы информации, но время ее записи и считывания там велико. Поэтому эффективная работа на компьютере возможна только при совместном использовании накопителей информации и устройств хранения, реализованных в виде электронных схем.

Оперативная память предназначена для хранения исполняемых в данный момент программ и необходимых для этого данных, т.е. в ОЗУ хранится информация, с которой ведется работа в данный момент времени. Содержимое оперативной памяти пропадает при выключении питания.

ПЗУ предназначено для хранения неизменяемой информации. В компьютере постоянно должна храниться информация, которая нужна при каждом его включении. Например, в ПЗУ записываются команды, которые компьютер должен выполнить сразу после включения питания для начала работы (например, BIOS). ПЗУ называют энергонезависимой памятью, так как содержимое ПЗУ при отключении питания сохраняется.

Принцип записи информации на магнитные ленты и диски аналогичен принципу записи звука в магнитофоне. В магнитооптических дисках информация также хранится на магнитном носителе, но чтение и запись осуществляются лучом лазера, что значительно повышает сохранность информации. Информация на компакт-дисках CD представляет собой участки, в различной степени отражающие лазерный луч.

Для работы с дискетами предназначено устройство, называемое дисководом, а для работы с компакт-дисками – CDROM (Compact Disc Read Only Memory). В настоящее время широко распостранены такие устройства для работы с компактдисками, поддерживающие одновременно функции чтения CD, CDR, CDRW, DVD и обеспечивающие запись CDR и CDRW, DVDR, DVDRW, т.е. не требуется приобретать два или три отдельных устройства, так как все функции объединены в одном.

Такие устройства разрабатывались в первую очередь для использования в ноутбуках (переносных портативных компьютерах), где габариты, вес и функциональность играют далеко не последнюю роль.

2.4. УСТРОЙСТВА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ И УПРАВЛЯЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Основным устройством обработки информации в ЭВМ является арифметико-логическое устройство (АЛУ). АЛУ выполняет все логические операции (логическое умножение – операция «И», логическое сложение – операция «ИЛИ», логическое отрицание – операция «НЕ»), а также арифметические операции над данными, представленными в виде двоичных кодов (нулей и единиц).

Булеву алгебру, в которой используются только два числа – 0 и 1, положил в основу теории электрических и электронных переключательных схем-сумматоров американский инженер Клод Шеннон в 1938 г. Именно это во многом определило появление ЭВМ, способных автоматически производить арифметические вычисления.

Так как выполнение самых сложных действий в ЭВМ сводится к большому числу простейших арифметических и логических операций, производительность процессора при выполнении простейших операций определяет быстродействие ЭВМ.

В ЭВМ арифметико-логическое устройство объединено с управляющими устройствами в единую схему – процессор, представляющий собой микросхему с большим числом контактов. Для ускорения работы процессора при выполнении математических вычислений обычно используется специальное устройство – сопроцессор, конструктивно встроенный в микросхему процессора.

Изобретателем микропроцессора как схемы, в которую собрана практически вся основная электроника компьютера, стала американская фирма INTEL, выпустившая в 1970 г. процессор 8008. С их появления и началась история ЭВМ четвертого поколения. По настоящее время фирма INTEL занимает ведущие позиции на мировом рынке в производстве и разработке новых типов процессоров.

Устройства ввода и вывода можно условно разделить на устройства, с помощью которых информация передается машине от человека, человеку от машины и от одной машины другой машине.

Наиболее распространенные устройства следующие:

– устройства ввода: клавиатура, сканер, устройства местоуказания (мышь, джойстик, графический планшет, световое перо);

– устройства вывода: дисплей, принтер, плоттер, звуковая карта;

– устройства, обеспечивающие связь с другими машинами: модем, сетевой адаптер, инфракрасный порт и т.д.

Кроме них имеются специальные устройства, обеспечивающие совместную работу ЭВМ с специальной аппаратурой, микрофонами, видеокамерами, видеомагнитофонами, научными приборами и т.д.

Клавиатура – основное устройство ввода информации. Расположение латинских букв на ней соответствует расположению клавиш на латинской печатной машинке (клавиатура QWERTY – по первым буквам в верхнем ряду), русских букв – русской печатной машинке.

Сканер – устройство для ввода графической информации в компьютер. Сканеры бывают ручные, настольные (планшетные), интегрированные в корпус принтера. Ручные сканеры (более дешевые, но обладающие более скромными возможностями) проводят над изображением (чаще всего их используют для считывания штрих-кодов), а в настольные лист бумаги вкладывают целиком. Кроме того, сканеры бывают цветные и черно-белые.

Устройства местоуказания предназначены для ввода координат в компьютер. Мышь – наиболее распространенный манипулятор, позволяющий перемещать указатель (курсор мыши) по экрану дисплея и указывать им на определенные объекты на экране (т.е. вводить в компьютер координаты выбранной точки на экране). Наиболее просты и дешевы механические мыши, в основании которых имеется шарик, вращающийся при перемещении мыши по ровной поверхности.

Вращение шарика передается на датчики, вырабатывающие электрические сигналы, отслеживая тем самым движения кисти руки человека, что и приводит к соответствующим перемещениям курсора на экране. Более дорогой и сложной, но более точной и надежной является оптическая мышь, в которой в ее основании вместо шарика используются излучатели света и фотодатчики, считывающие отраженный свет от поверхности стола или коврика мышки.

Трекбол – это своеобразная «мышь вверх ногами». Он представляет собой шарик, как правило, встраиваемый в клавиатуру, который вращают пальцами. Трекбол обычно используют в переносных компьютерах – ноутбуках (англ.

notebook – записная книжка).

Джойстик – манипулятор, выполняемый в виде рычажка (ручки) на массивном основании. Управляющие сигналы вырабатываются движениями ручки и нажатием кнопки (или кнопок) на ней. Джойстики, как правило, используют для работы с игровыми программами.

Графический планшет (дигитайзер или диджитайзер – англ. digitizer – оцифровыватель) – планшет, покрытый сеткой пьезоэлементов – элементов, вырабатывающих электрический ток при механическом воздействии. На нем размещают лист бумаги с изображением и надавливанием на определенные точки на нем вводят их координаты в компьютер. Дигитайзеры, как правило, используются для ввода карт или планов в ЭВМ.

Световым пером также указываются координаты определенной точки, но непосредственно на экране дисплея. На его конце имеется фотоэлемент. Им при поднесении к экрану фиксируется момент попадания на него электронного луча, формирующего изображение (как известно, этот электронный луч несколько раз в секунду обегает все точки поверхности экрана). На основе этого вычисляются координаты точки, к которой поднесено световое перо в данный момент времени.

Дисплей (монитор) – основное устройство вывода информации. Дисплеи бывают основанными на электронно-лучевой трубке или панели на жидких кристаллах (LCD, от англ. Liquid Crystal Display). Кроме того различают цветные и монохромные (одноцветные ) дисплеи.

Формирование изображения на экране обеспечивает как электронная начинка монитора, так и специальное устройство – видеоадаптер, который формирует, хранит и передает изображение на экран дисплея. Конструктивно видеоадаптер представляет собой плату, которая вставляется в корпус компьютера (в системный блок). Дисплей подключается непосредственно к ней. На этой плате находятся, в частности, схемы видеопамяти, в которых запоминается изображение, выводимое на экран.

Современные дисплеи должны соответствовать очень строгим требованиям, установленным международными нормами – стандартами. Защита человека от разного рода излучений в дисплеях выполняется на более серьезном уровне.

Специальные защитные фильтры, навешиваемые на экран, защищают его поверхность от бликов, позволяют несколько увеличить четкость изображения, обеспечивают дополнительную защиту от излучений. Защита от негативных полей обеспечивается лишь при подключении к заземлению как корпуса компьютера, так и защитного экрана. Следует помнить, что излучения имеют место не только со стороны экрана, где конструкторы предусматривают максимально возможную защиту для человека, но и с задней стороны дисплея, где никакой защиты, как правило, не устраивается. Поэтому размещать компьютер в помещении следует так, чтобы с задней стороны дисплея люди в течение длительного времени не находились.

Дисплей может работать либо в текстовом (когда на экран могут быть выведены только стандартные ASCII – символы), либо в графическом режиме, когда изображения строятся из большого числа точек – пикселов (для работы с чертежами, графикой, текстом, видео и т.д.).

Качество изображения в графическом режиме зависит от разрешающей способности, т.е. количества пикселов по горизонтали и вертикали (640*480, 800*600, 1024*768 и т.д.). Разрешающая способность не зависит от размера экрана дисплея.

Существуют различные видеорежимы. Они отличаются разрешающей способностью и палитрой – количеством выводимых цветов. С течением времени и развитием техники появляются новые графические режимы с большей разрешающей способностью и более богатой палитрой. От типа дисплея зависит способность поддерживать различные видеорежимы. Как правило, для дисплеев выполняется правило совместимости «сверху вниз». Это значит, что дисплей более современного типа (дисплеи типа SVGA – 800*600 и 1024*768) может работать как в режимах с высокой разрешающей способностью и большим количеством выводимых цветов, так и в режимах, разработанных для дисплеев старых типов, т.е. с меньшей разрешающей способностью и меньшим количеством цветов (дисплеи типа VGA 640*480).

Принтер – устройство вывода информации на бумагу. Принтеры бывают матричные, струйные, лазерные. Иногда встречаются принтеры других типов – литерные, лепестковые, светодиодные и др. Кроме того, по формату бумаги различают «широкие» и «узкие» принтеры.

В матричном принтере изображение выводится на бумагу с помощью специальной движущейся головки, в которой имеется несколько (9, 24 или 48) иголок, наносящих удары по листу бумаги через красящую ленту. Скорость работы матричных принтеров невысока (от 10 секунд на страницу при низком качестве, до нескольких минут – при высоком), кроме того, они издают неприятный звук при работе. К их преимуществам следует отнести низкую стоимость, высокую надежность. В струйных принтерах красящее вещество (тонер) выдувается на бумагу с помощью системы сопел. Эти принтеры обеспечивают более высокие скорость и качество печати, позволяют создавать цветные изображения. При этом по стоимости струйные принтеры незначительно отличаются от матричных. Эксплуатационные расходы (стоимость тонера и обслуживания) у них выше.

Наиболее высокую скорость печати (до 5 секунд на страницу) при наилучшем качестве обеспечивают лазерные принтеры. В них изображение переносится на бумагу со специального барабана, к участкам поверхности которого, наэлектролизованного лучом лазера, притягиваются частицы красящего порошка. Лазерные принтеры являются достаточно дорогими, но наиболее экономически выгодными при печати большого количества документов в офисе и дома.

Плоттер (графопостроитель) – устройство для вывода чертежей на бумагу. Бывают струйные и механические плоттеры.

Устройство струйных плоттеров аналогично устройству струйных принтеров. В механических плоттерах пишущий узел с перьями (шариковыми, керамическими или фитильными, как во фломастерах) перемещается по направляющим относительно листа ватмана, или бумага, зажатая в прижимных устройствах, перемещается относительно пишущего узла.

В корпус компьютера обычно встраивается динамик, способный выдавать звуковые сигналы, например при ошибках загрузки компьютера. Для возможности прослушивания музыки в качественном исполнении, речи, звуковых эффектов необходимо оснастить компьютер звуковой приставкой – специальной платой (саунд-бластером, англ. sound blaster – «выдувающий» звук), вставляемой в системный блок (корпус) компьютера, и подключаемыми к ней колонками. В настоящее практически все производители встраивают звуковую карту непосредственно в материнскую плату (основную плату, на которой расположены процессор память и др.). Мощный компьютер, оснащенный этими и другими устройствами для создания звуковых эффектов называют мультимедийным (от англ. Multimedia – «многие среды», т.е. возможность одновременно использовать всевозможные способы представления информации – текстовой, графической, звуковой, видео и пр.).

Модем (МОдулятор – ДЕМодулятор) – устройство, преобразующее информацию к виду, в котором ее можно передавать по линиям связи (по телефонным линиям). Модемы бывают внутренние (вставляемые в корпус компьютера) и внешние (представляющие собой отдельные устройства, подключаемые к компьютеру и телефонной линии). Кроме того, различают телефонные модемы, позволяющие передавать только текстовые сообщения, и факс-модемы, позволяющие передавать и графические изображения.

Сетевой адаптер (сетевая плата) – устройство, обеспечивающее подключение компьютера к локальной компьютерной сети. Сетевой адаптер представляет собой вставляемую в корпус компьютера плату с разъемом для подключения линии связи компьютерной сети.

2.6. АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Персональным компьютером (ПК, РС – от англ. Реrsonal Сomputer) называют небольшую ЭВМ, ориентированную на широкий круг. До появления персональных компьютеров инженеры, ученые, экономисты, представители других профессий общались с ЭВМ только с помощью посредников – инженеров-системотехников и программистов, поскольку работа на ЭВМ старых типов требовала специальной подготовки. С появлением персональных ЭВМ необходимость в таком посредничестве отпала, так как процесс общения с ЭВМ значительно упростился.

Впервые производство персональных компьютеров было поставлено на поток в 1975 г. американской фирмой APPLE. В 1981 г. появились первые персональные компьютеры фирмы IBM. Они были более дешевыми и в них были использованы последние разработки сразу нескольких других фирм, в частности программное обеспечение фирмы MICROSOFT (произносится «Майкрософт»). В настоящее время большой популярностью пользуется продукция не только IBM, но и других фирм, производящих IBM совместимые компьютеры, а также компьютеры фирмы APPLE (им присвоили имя «Мэкинтош»).

В вычислительной технике архитектура определяет состав, назначение, логическую организацию и порядок взаимодействия всех аппаратных и программных средств, объединенных в единую вычислительную систему. Иными словами, архитектура описывает то, как ЭВМ представляется пользователю.

В современных персональных компьютерах используется принцип открытой архитектуры. Он состоит в том, что основные устройства, непосредственно участвующие в обработке информации (процессор, сопроцессор, оперативная память), соединяется с остальными (периферийными) устройствами единой магистралью – системной шиной (магистральным интерфейсом). При этом часть структурных элементов объединена (конструктивно) системной (материнской или основной – англ. motherboard или mainboard) платой. Упрощенная структура персональной ЭВМ представлена на рис. 2.6.1.

ПЗУ ОЗУ

На схеме двунаправленные стрелки указывают на то, что информация движется как от процессора к периферийным устройствам, так и в обратную сторону. Схема носит условный характер, иллюстрирующий только основные принципы устройства современного компьютера, поэтому ряд устройств не изображены (прямоугольник с многоточием), но могут быть подключены.

Если открыть корпус компьютера, то можно увидеть большую плату, на которой размещаются микросхемы, другие электронные устройства и разъемы (слоты), в которые вставлены другие платы и к которым посредством кабелей подключены другие устройства. Это и есть материнская плата.

Конфигурация компьютера – это состав устройств, подключенных к компьютеру.

Открытая архитектура позволяет выбирать конфигурацию компьютера, т.е. комплектовать его по своему выбору из достаточно большого количества совместимых с используемой материнской платой и процессором устройств, имеющихся на рынке (в том числе и произведенных различными фирмами). Кроме того, всегда имеется возможность модернизировать, а также расширить систему, подключив к ней новые устройства.

ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА

Для оценки возможностей вычислительной машины необходимо знать ее технические характеристики. Наиболее характерные из них перечислены ниже.

Быстродействие, производительность, тактовая частота. Единицами измерения быстродействия служат:

МИПС (MIPS – Mega Instruction Per Second) – миллион операций над числами с фиксированной запятой (точкой);

МФЛОПС (MFLOPS – Mega FLoating Operations Per Second) – миллион операций над числами с плавающей запятой (точкой);

КОПС (KOPS – Kilo Operations Per Second) для низкопроизводительных ЭВМ – тысяча неких усредненных операций над числами;

ГФЛОПС (GFLOPS – Giga FLoating Operations Per Second) – миллиард операций в секунду над числами с плавающей запятой (точкой).

Оценка производительности ЭВМ всегда приблизительная, ибо при этом ориентируются на некоторые усредненные или, наоборот, на конкретные виды операций. Реально при решении различных задач используются и различные наборы операций. Поэтому для характеристики производительности ПК вместо производительности обычно указывают тактовую частоту, более общую характеристику, определяющую быстродействие машины, так как каждая операция требует для выполнения вполне определенного количества тактов. Такт – это интервал времени, затрачиваемый на выполнение одной простейшей машинной операции. Следовательно, тактовая частота – это количество тактов в секунду. Один такт в секунду равен одному Герцу. Современные компьютеры работают на тактовых частотах в несколько сотен Мегагерц, т.е.

выполняют несколько десятков или сотен миллионов простейших машинных операций за одну секунду.

Зная тактовую частоту, можно достаточно точно определить время выполнения любой машинной операции.

Разрядность машины и кодовых шин интерфейса. Разрядность – это максимальное количество разрядов двоичного числа, над которым одновременно за один такт может выполняться машинная операция, в том числе и операция передачи информации;

чем больше разрядность, тем, при прочих равных условиях, будет больше и производительность ПК.

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.

Тип процессора. Компьютер на базе процессора более современного типа будет при всех прочих равных условиях производительнее, чем машины на базе процессоров старых типов.

Емкость оперативной памяти. В оперативной памяти хранится обрабатываемая в данный момент информация. Ее объем должен быть достаточным для этого. Если это не так, соответствующие программы не смогут быть запущены на данной машине. Поэтому при описании программ всегда указывают, какой должен быть объем оперативной памяти, чтобы можно было запустить данную программу. В настоящее время объем оперативной памяти достигает нескольких сотен Мегабайт.

Виды и емкость КЭШ-памяти. КЭШ-память – это буферная, не доступная для пользователя быстродействующая память, автоматически используемая компьютером для ускорения операций с информацией, хранящейся в более медленно действующих запоминающих устройствах. Например, для ускорения операций с основной памятью организуется регистровая КЭШ-память внутри микропроцессора (КЭШ-память первого уровня) или вне микропроцессора на материнской плате (КЭШ-память второго уровня); для ускорения операций с дисковой памятью организуется КЭШ-память на ячейках электронной памяти.

Емкость накопителя на жестких магнитных дисках (винчестера). Емкость винчестера измеряется обычно в мегабайтах или гигабайтах (1 Гбайт = 1024 Мбайта). Современное программное обеспечение и решаемые пользователем задачи предъявляют все более высокие требования не только к объему оперативной памяти, но и объему винчестера. Если еще совсем недавно объем винчестера составлял 500 Мбайт – 4 Гбайт, то теперь никого не удивляют 300…500 Гбайт.

Характеристики периферийных устройств. Почти все предыдущие характеристики касались устройств, находящихся на материнской плате. К характеристикам периферийных устройств относятся емкость жесткого диска (приводилась выше), число и типы дисководов для дискет, тип дисплея и объем видеопамяти, тип и скорость печати принтера, быстродействие модема и т.д.

Несомненно, что при определенных условиях эксплуатации имеют значение такие технические характеристики как габариты, масса и надежность. Габариты и массу чаще учитывают, когда речь идет о персональных компьютерах в мобильном исполнении (ноутбуках). Повышенная надежность и защищенность важна, например, в случае использования компьютера вне дома и офиса (на улице, в цехах, в автомобиле и т.д.). Обычно стоимость таких компьютеров значительно выше по сравнению с обычными.

3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

3.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Рассмотренные технические средства ПЭВМ в совокупности являются универсальным инструментом для решения широкого круга задач. Однако эти задачи могут быть решены лишь в том случае, если ПЭВМ «знает» алгоритм их решения.

Алгоритм (algorithm) – точное предписание, определяющее процесс преобразования исходных данных в конечный результат.

Общими свойствами любого алгоритма являются:

– дискретность – возможность разбиения алгоритма на отдельные элементарные действия;

– определенность (детерминированность) алгоритма обеспечивает однозначность результата (повторяемость получаемого результата при многократных расчетах с одними и теми же исходными данными) и исключает возможность искажения или двусмысленного толкования предписания;

– результативность – обязательное получение за конечное число шагов некоторого результата, а при невозможности получения результата – сигнала о том, что данный алгоритм неприменим для решения поставленной задачи;

– массовость – возможность получения результата при различных исходных данных для некоторого класса сходных задач.

Программа (program) – данные, их описание и алгоритм, записанный на языке программирования. Программа описывает операции, которые нужно выполнить для решения поставленной задачи.

Операторами называются действия, предписываемые программой, а элементарное предписание, предусматривающее выполнение какой-либо операции, называют командой. Общее название программы определяется, как правило, реализуемой ею задачей (управляющие, ввода/вывода, диагностические и пр.). Обычно программы хранятся во внешней памяти ПЭВМ.

Однако для выполнения они передаются в оперативную память. В случае постоянного размещения программы в ОЗУ она называется резидентной программой.

Программирование (programming) – процесс создания программ. Программирование неразрывно связано с языками программирования.

Языки программирования (programming language) – формализованные языки для написания программ, исполняемых на ПЭВМ. До сих пор язык программирования является искусственным, в нем синтаксис и семантика строго определены.

Программное обеспечение (ПО) (software) – комплекс программ, позволяющих осуществить автоматизированную обработку информации на ПЭВМ.

Настройка ПЭВМ на решение той или иной задачи осуществляется путем загрузки в оперативную память машины соответствующего программного обеспечения, таким образом, осуществляется программная специализация ПЭВМ.

3.2. СПОСОБЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ АЛГОРИТМА

Существуют следующие формы представления алгоритма:

• словесная (текстуальная) (для достаточно сложных алгоритмов описание становится слишком громоздким и ненаглядным, вследствие этого такая форма представления обычно используется лишь на начальных стадиях разработки алгоритма);

• графическая (форма представления алгоритмов является более компактной и наглядной: алгоритм изображается в виде последовательности связанных между собой блоков (символов), каждый из которых соответствует выполнению одного или нескольких операторов, такое графическое представление называется блок-схемой алгоритма);

• на языках программирования (алгоритм, записанный на языке программирования, называется программой).

Существующие способы записи алгоритмов отличаются друг от друга наглядностью, компактностью, степенью формализации и другими показателями. Наибольшее распространение получили графический способ и так называемый алгоритмический язык записи алгоритмов, ориентированный на человека (псевдокоды).

Схема алгоритма представляет собой последовательность блоков, предписывающих выполнение определенных действий, и связи между ними.

Выделение составных частей алгоритма должно определяться внутренней логикой процесса вычислений.

Схема алгоритма может выполняться с разной степенью детализации. Схема, в которой определены ввод и вывод информации и учитываются особенности языка программирования, называется схемой программы.

Запись алгоритма на алгоритмическом языке, ориентированном на человека, выполняется с помощью служебных слов и команд, которые записываются в сокращенном виде и подчеркиваются. Запись начинается со служебного слова «алгоритм»

(АЛГ), за которым записывается его краткое название и определяются типы используемых величин. Далее перечисляются «аргументы» (АРГ) и «результаты» (РЕЗ). Команды, определяющие действия, записываются между служебными словами «начало» (НАЧ) и «конец» (КОН). Команды управления ходом вычислений начинаются служебными словами: ЕСЛИ, ТО, ИНАЧЕ, ЦК (цикл), КЦ (конец цикла), ПОКА. Команды друг от друга отделяются точкой с запятой.

Общий вид записи алгоритма на алгоритмическом языке выглядит следующим образом:

АЛГ название алгоритма;

АРГ...; РЕЗ...;

Последовательность команд Команда разветвления, содержащая условие, имеет следующий вид записи:

ЕСЛИ условие ТО последовательность команд ИНАЧЕ последовательность команд Команда цикла имеет следующий вид:

ПОКА условие Последовательность команд Объектами действий в алгоритмах являются числа, простые переменные и переменные с индексами (элементы массивов).

Массив – упорядоченная последовательность значений, имеющих одно имя.

В процессе решения простая переменная может изменять свои значения, но в каждый момент времени известно (хранится в памяти ЭВМ) только одно «текущее» значение. Простую переменную обозначают ее символическим именем (идентификатором). Элемент массива (переменная с индексом) состоит из имени и индексов, указывающих на расположение элемента в массиве.

Графическая запись алгоритма должна выполняться в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ 19.701– «Государственный стандарт единой системы программной документации»).

Некоторые часто используемые условные графические обозначения символов, используемых для составления блоксхемы алгоритма, обозначения приведены в табл. 3.2.1.

Отдельные блоки алгоритмов (символы) соединяются между собой линиями потоков информации, которые проводятся параллельно внешней рамке чертежа. Направления линий потока сверху вниз и слева направо принимаются за основные и, если линии потоков не имеют изломов, стрелками не обозначаются.

Этап вычисления (процесс) изображается прямоугольником, внутри которого записывается содержание этого этапа.

Проверка условия (альтернатива) изображается ромбом. Ввод исходных данных и вывод результатов изображается параллелограммами, внутри которых пишутся слова «ввод» или «вывод» и перечисляются переменные, подлежащие вводу или выводу.

Ниже приведена блок-схема алгоритма решения квадратного уравнения ах + bх2 + с = 0.

Представление алгоритма в виде блок-схемы является промежуточным, так как алгоритм в таком виде не может быть непосредственно выполнен ЭВМ. Составление блок-схемы алгоритма является важным и в большинстве случаев необходимым этапом решения задачи на ЭВМ, значительно облегчающим процесс составления программ.

Значение а принимается из ряда чисел 10; 15; 20... мм; b = 1,5.

3.3. БАЗОВЫЕ СТРУКТУРЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ

Алгоритм любой сложности может быть представлен комбинацией трех базовых структур:

• следование;

• ветвление (альтернатива, если–то–иначе);

• цикл (повторение).

Особенностью этих структур является наличие у них одного входа и одного выхода.

Базовая структура следование означает, что несколько операторов должны быть выполнены последовательно друг за другом и только один раз за время выполнения данной программы. Совокупность связанных базовых структур следование называется линейным вычислительным алгоритмом.

Под оператором понимается формальная запись предписания для выполнения некоторой последовательности действий.

Второй базовой структурой является ветвление. Эта структура обеспечивает, в зависимости от результата проверки условия (истина или ложь), выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма, причем каждый из путей ведет к общему выходу.

Возможные пути выполнения алгоритма помечают соответствующими метками: истина/ложь, да/нет, 1/0 и т.д.

В частном случае может оказаться, что для одного из выбранных путей действий предпринимать не нужно. Такая структура получила название обход или структура если–то.

Алгоритм, в состав которого входит базовая структура ветвление, называется разветвляющимся.

Если в алгоритме имеется три и более направления ветвления, то его можно представить в виде совокупности нескольких базовых структур если–то–иначе. Такую разновидность структуры разветвление часто называют множественный выбор.

Третья базовая структура цикл обеспечивает повторное выполнение или, другими словами, циклическую работу операторов.

Различают две разновидности этой структуры: цикл–пока и цикл–до.

Группа операторов, повторяющаяся в цикле, называется телом цикла. Основное отличие структуры цикл–пока от структуры цикл–до заключается в том, что в первой структуре операторы тела цикла в зависимости от условия могут не выполняться совсем, тогда как в структуре цикл–до тело цикла будет выполняться хотя бы один раз. Легко заметить, что в структуре цикл–пока проверка выполнения условия осуществляется перед выполнением операторов тела цикла, а в структуре цикл–до осуществляется после прохождения тела цикла.

Циклы могут содержать внутри себя другие циклы. Такие структуры называются вложенными циклами.

Алгоритмы, имеющие в своем составе базовую структуру «цикл», называются циклическими.

Рассмотренные выше базовые структуры рекомендуется применять для соблюдения структурного подхода к разработке алгоритмов.

Реальные алгоритмы представляют собой совокупность всех рассмотренных базовых структур

3.4. СТРУКТУРА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Каждая из известных и еще неизвестных программ, в зависимости от реализуемых функций может быть отнесена в той или иной мере к двум большим классам: системное (общее) программное обеспечение (ПО) и прикладное (специальное) ПО.

К системному программному обеспечению относятся операционные системы, их оболочки и среды, системы программирования, программы технического обслуживания.

В группу прикладного программного обеспечения входят пакеты прикладных программ, сервисные программы, прикладные программы пользователей.

Системное ПО обеспечивает, во-первых, работоспособность ПЭВМ как системы или элемента системы (при работе в сети) и, во-вторых, автоматизацию программирования.

Операционная система (ОС) (operatting system) – организованная совокупность программ, целевое назначение которых управлять работой ПЭВМ с момента включения до выключения питания. Эта часть ПО обеспечивает функционирование ПЭВМ как некоторого универсального средства ввода, хранения, обработки и документирования информации. Техническое обеспечение во многом определяет возможную ОС, а ОС – возможности технического обеспечения. На практике чем большие удобства и возможности в работе дает ОС, тем большие требования предъявляются к техническому обеспечению.

Так, если Windows 95 требовала не более 50 Мб на жестком диске и минимум 16 Мб оперативной памяти, Windows требовала не более 700 Мб на жестком диске и минимум 32Мб оперативной памяти, то одна из наиболее современных ОС Windows ХР требует 1,4 Гб на жестком диске, минимум 128 Мб оперативной памяти и работает не менее чем при 300 МГц частоте процессора, а для Windows Vista требования еще выше.

С точки зрения простоты общения пользователя с ОС можно условно выделить две группы операционных систем: с усложненным интерфейсом (например, MS DOS) и с упрощенным интерфейсом (System – Apple, Windows – Microsoft, OS/ Warp – IBM) В полной конфигурации ОС с усложненным интерфейсом содержит следующие основные компоненты:

• загрузочную подсистему;

• файловую подсистему;

• подсистему управления внешними устройствами;

• процессор командного языка.

Приведенная классификация весьма условная и не очень строгая, зато она позволяет оттенить основные функции ОС:

настройка ПЭВМ на работу после включения питания, работа с файлами, управление работой внешних устройств, восприятие и реализация команд пользователя.

Загрузочная подсистема осуществляет тестирование устройств ПЭВМ после ее включения и загружает в оперативную память основные файлы ОС.

Файловая подсистема – это часть ОС, обеспечивающая создание файлов и манипулирование ими.

Пользователь должен знать, что результаты его работы не пропадут даром, если будут оформлены в виде файла. Файл – это поименованная последовательность данных (команд), стандартная структура которой обеспечивает ее размещение в памяти машины. Всю работу по оформлению файла берет на себя файловая подсистема. Пользователю необходимо лишь указать имя создаваемого файла (требования к имени файла и ограничения, накладываемые на него, зависят от используемой ОС). По имени файловая подсистема осуществляет поиск файла во внешней памяти машины, например, для перемещения его с дискеты на дискету, вывода на печать, редактирования (в составе ОС есть простейший редактор текста) или исполнения, если этим файлом является программа, и пр. Следует заметить, что конкретные действия по обслуживанию файлов (вывод на печать, редактирование и т.д.) определяет пользователь.

Подсистема управления внешними устройствами – часть ОС, которая обеспечивает взаимодействие процессора с внешними устройствами.

Процессор командного языка – часть ОС, обеспечивающая распознавание и исполнение команд пользователя, а сам командный язык – язык взаимодействия пользователя с ОС, обеспечивающий (при всей его ограниченности) выполнение требуемых функций. Словарный запас командного языка ОС мал, но, несмотря на это, существует сложность его восприятия для начинающего пользователя. Это обусловлено, во-первых, новизной реализуемых функций, а, во-вторых, особенностью грамматики: командные слова – преимущественно аббревиатура или сокращение английских слов.

Программные оболочки операционных систем (ПО ОС) – это программные надстройки ОС с усложненным интерфейсом (таких как MS DOS), целевое назначение которых упростить способ общения пользователя с ОС. Известные программные оболочки, например Volkov и Norton Comander, находясь на пути «пользователь–операционная система», сохраняют форму общения (диалог), но изменяют язык общения (обычно язык команд преобразуется в язык меню).

Системы программирования – это часть ПО, с помощью которой создаются все программы. Системы программирования включают в себя трансляторы (компиляторы или интерпретаторы) различных языков программирования.

Программы технического обслуживания представляют собой программные средства контроля, диагностики и восстановления работоспособности.

Прикладное ПО обеспечивает эффективное решение задач пользователя. Ключевым понятием здесь является пакет прикладных программ.

Пакет прикладных программ (ППП) – комплекс программ для решения определенного круга задач по какой-либо теме или предмету.

Различают следующие типы ППП:

• общего назначения;

• методо-ориентированные;

• проблемно-ориентированные.

ППП общего назначения ориентированы на автоматизацию широкого класса функциональных задач пользователя. К этому классу ППП относятся: текстовые процессоры (например, Word); графические процессоры (Corel DROW);

издательские системы (PageMaker); табличные процессоры (Excel); системы управления базами данных (Access); оболочки экспертных систем, систем поддержки принятия решений и т.д..

В основе методо-ориентированных ППП лежит реализация того или иного метода решения задачи. Проблемноориентированные ППП, как это и определено названием, ориентированы на решение определенной задачи (проблемы) в конкретной предметной области. Это наиболее широкий класс пакетов прикладных программ. Среди них можно выделить такие, как ППП правовых справочных систем и др.

ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Преобладающими в развитии ПО являются следующие тенденции:

– ускоряющееся развитие;

– универсализация программных продуктов и специализация их составляющих;

– упрощение (естественность) интерфейса пользователя.

Вычислительная техника весьма динамичная область знаний. На смену известным изученным программным продуктам и техническим средствам приходят совершенно новые. Необходимо, используя полученные базовые знания, умения и навыки, непрерывно их совершенствовать, самообучаться. Способствует этому процессу то, что программное обеспечение создает человек для самого себя, и все (или почти все), реализованное в ПО, в обыденной жизни уже существует (каталоги в MS DOS – аналог каталогов в библиотеке, рабочий стол в Windows – аналог рабочего стола с нужными папками и инструментами в офисе).

Объединение противоречивых свойств, таких как универсализация и специализация, происходит практически во всем.

Такой подход позволяет разработчикам ПО удовлетворить потребности большего числа потребителей. Упрощение жизни пользователю рационально, однако достигается оно за счет ужесточения требований к ресурсам ПЭВМ.

Интерфейс пользователя (User Interface) (ИП), как и все в ПЭВМ, обеспечивается аппаратными и программными средствами. Аппаратная часть ИП с 1960-х гг. по настоящее время представлена экраном, клавиатурой и мышью. Базовый «инструмент» ПО монохромные и цветные экраны, окна, меню и графика – известен давно, с начала 1970-х гг. Но «революция» в понимании ПЭВМ и того, что они могут, все-таки произошла. Ее совершили создание и стандартизация графического ИП (Graphical User Interface – GUI). GUI основан на следующих четырех принципах:

1) общий интерфейс пользователя, который определяет стандартный путь подачи команд компьютеру, одинаковые структуру приложений и инструментарий (выпадающее меню, система подсказок и пр.). Такой подход используется и Apple, и Microsoft, и IBM, и др.;

2) наличие битовой карты, высокая разрешающая способность, цветной дисплей. Каждый объект, отображаемый на экране, имеет, по крайней мере, два представления: внутреннее и внешнее. Внутреннее представление (не видимое) основано на некоторой модели, а внешнее (видимое) выводится на экран и состоит из пикселей. Это пассивное изображение называют битовой картой, так как оно создано из отдельных битов. При сравнении количества и качества информации, размещаемой на странице приличного журнала и экране компьютера, сразу же становится видимой пропасть между возможностями дисплея и желаниями пользователя. Экран 1024 786 пикселей с 256-цветным режимом далек от качества средней фотографии. Для изображения «картинки» необходимо использовать около 16 млн. разных цветов. Такое количество цветов необходимо для отображения тонких, едва уловимых эффектов, создаваемых затемнением, мутным цветом, отражением. Это значит, что каждый пиксель должен отображаться в формате 24 бит. Для работы с изображениями целесообразно устанавливать качество цветопередачи 24, а лучше 32 бита;

3) What You See Is What You Get (WYSIWYG) – что видишь (на экране), то и получаешь (при печати на бумаге). Однако только отображение реальности недостаточно для того, чтобы сделать приложения простыми для работы, доступными в использовании, а взаимодействие – мгновенным;

4) прямая манипуляция. Пользователь должен манипулировать «созданным миром» без посредника (прямая манипуляция), не задумываясь о проблемах манипуляции. Например, вставляемая в текст картинка должна ложиться именно в то место, которое для нее определено пользователем. При этом текст должен уступить место – подвинуться беспрекословно и без искажений.

Все это достаточно удобно реализовано в виде интуитивно понятного графического интерфейса пользователя.

Сначала всегда разрабатывается алгоритм действий, а потом он записывается на одном из таких языков. В итоге получается текст программы – полное законченное и детальное описание алгоритма на языке программирования. Затем этот текст программы специальными служебными приложениями, которые называются трансляторами, либо переводится в машинный код, либо исполняется.

Языки программирования являются искусственными языками, в них синтаксис и семантика строго определены.

Поэтому языки программирования, в отличие от естественных языков, не допускают многозначных и произвольных толкований.

Синтаксис – это набор правил, которые определяют основные внутренние структуры и последовательности символов, допустимых в языке программирования. Семантика – это значения языковых единиц (слов, словосочетаний, предложений).

Составление программ для ЭВМ первого поколения велось исключительно на машинном языке, который представляет собой свод правил кодирования действий ЭВМ с помощью чисел. Для всех цифровых ЭВМ «понятна» только двоичная система счисления (СС), которая для сокращения записи часто заменяется восьмеричной или шестнадцатеричной СС.

Восьмеричная и шестнадцатеричная СС используются лишь для облегчения работы программистов. Для технической реализации ЭВМ нужна только двоичная СС.

Более высоким уровнем, по сравнению с машинными языками, являются машинно-ориентированные языки символического кодирования. Основной принцип создания языков символического кодирования состоит в замене машинных кодов на их буквенные обозначения, а также в автоматизации процесса распределения памяти и диагностики ошибок. Такой машинно-ориентированный язык получил название языка Ассемблера.

ЭВМ «понимает» только машинный язык, только команды, операнды и адреса, записанные с помощью двоичных чисел.

Поэтому для преобразования программы, написанной на языке Ассемблера, в машинные коды необходим «переводчик».

Перевод программы, написанной на языке Ассемблера, на машинный язык осуществляется с помощью транслятора (переводчика) – специальной программы, которая имеет созвучное с именем языка название: ассемблер.

Недостатком машинно-ориентированных языков является невозмож-ность выполнения программы, составленной для процессора одного типа, на ЭВМ, которая построена на процессоре другого типа. Другими словами, вид программы зависит от типа машины.

На следующем уровне развития языков находятся процедурно-ориентированные языки. В отличие от машинноориентированных языков, синтаксис и семантика этих языков не зависят от состава имеющихся команд конкретной ЭВМ (конкретного процессора). Привязку составленной программы к конкретному типу ЭВМ осуществляет транслятор (программа-переводчик).

После ввода в ОЗУ исходной программы, составленной на языке программирования высокого уровня, осуществляется ее трансляция. В результате создается программа на машинном языке, т.е. программа, состоящая из команд того процессора (той машины), с помощью которого будет решаться задача.

Процесс перевода программы и процесс ее исполнения могут происходить двумя способами. Первый способ, называемый компиляцией, заключается в том, что процесс выполнения программы ЭВМ осуществляется после того, как процесс перевода полностью завершен. Для компиляции характерно то, что осуществляющая ее программа-транслятор во время выполнения программы уже не нужна и потому не находится в ОЗУ, тем самым достигается экономное использование ОЗУ.

Второй способ – интерпретация – предполагает, что отдельные операторы (или другие части исходной программы) сразу после трансляции выполняются, после чего та же процедура совершается над другими операторами и т.д. При интерпретации во время выполнения рабочей программы транслятор находится в ОЗУ, т.е. занимает дополнительный объем оперативной памяти. Кроме того, процесс решения задачи замедляется, так как между отдельными этапами выполнения рабочей программы управление передается транслятору.

Интерпретатор можно сравнить с переводчиком, который выполняет устный синхронный перевод с одного естественного языка на другой (например, перевод кинофильма с английского языка на русский язык). Интерпретатор переводит и сразу выполняет программу последовательно, строчку за строчкой.

Компилятор можно сравнить с переводчиком, который делает письменные перевод статьи или книги. Компилятор перед выполнением программы вначале полностью переводит весь текст программы на машинный язык.

Интерпретатор работает медленнее, чем компилятор, занимает больше места в оперативной памяти. Однако при отладке новых программ удобнее работать с интерпретатором, так как он позволяет после исправления ошибки продолжить выполнение программы с места остановки. При работе с компилятором после устранения ошибки необходимо повторно компилировать программу и запускать ее с самого начала, а не с места расположения обнаруженной ошибки.

Существуют комбинированные способы трансляции и выполнения программ. Например, язык Java позволяет сначала компилировать программу в некоторый промежуточный код (байт-код), а затем выполнять его с помощью интерпретатора (виртуальной Java-машины).

Далее рассмотрим общие характеристики различных языков программирования высокого уровня. При этом язык программирования нужно представлять себе как некоторый транслятор (интерпретатор или компилятор), который переводит программу, написанную на языке программирования, понятном для человека, в машинные коды, с которыми работает ЭВМ.

Запись программы на процедурно-ориентированном языке достаточно близка к общепринятой математической записи, компактна и удобна для восприятия.

Следует заметить, что наиболее проста для понимания запись программы на процедурно-ориентированном языке.

Наиболее сложна для понимания программа, написанная на машинном языке.

Одним из первых процедурно-ориентированных языков стал язык Фортран (FORmula TRANslation – преобразование формул). Фортран является компилирующим языком. Он просуществовал до наших дней, удерживая одно из первых мест в мире по распространенности. Среди причин такого долголетия можно отметить простую структуру, как самого Фортрана, так и предназначенных для его преобразования в машинные коды трансляторов. Сфера использования Фортран – научные и инженерно-технические вычисления.

Язык Фортран оказал сильное влияние на создание и развитие других языков программирования, например, Фортран заложен в основу диалогового языка Бейсик (BASIC – beginners all-purpose symbolic instruction code). Это переводится так:

многоцелевой язык символьных команд для начинающих.

Язык Бейсик позволил привлечь к изучению технологии программирования большое число людей из различных предметных областей (непрофессионалов-программистов). В момент его создания он предназначался в основном для обучения программированию. Современные версии языка Бейсик позволяют решать сложные задачи на профессиональном уровне.

Первые версии Бейсика являлись интерпретаторами, что позволяло в диалоговом режиме быстро редактировать новые программы. Последние версии Бейсика позволяют использовать оба вида трансляции: и компиляцию, и интерпретацию. При разработке программ язык работает как интерпретатор, а для получения конечного варианта программа компилируется в машинные коды. Такой вариант позволяет получить высокую скорость отладки программы и одновременно большую скорость работы конечного продукта.

Алгол-60 (ALGOritmic Language – алгоритмический язык) – это более совершенный язык, чем Фортран.

Решение экономических задач (учет материальных ценностей, выпущенной предприятием продукции, личного состава) в 60х гг. XX столетия удобно было выполнять на языке Кобол.

Языки Лисп (Lisp) и Пролог (Prolog) были разработаны для решения задач, относящихся к искусственному интеллекту.

Эти языки позволяют обрабатывать текстовую (символьную) информацию, решать логические и математические задачи.

Язык Пролог является непроцедурным языком логического программирования. Он выбран основным языком при разработке ЭВМ пятого поколения, которые будут обладать искусственным интеллектом.

Язык ЛОГО (LOGO) используется для обучения детей основам программирования. Характерной особенностью языка является применение так называемой «черепашьей» графики (движущаяся черепаха оставляет за собой след в виде рисунка).

Обилие алгоритмических языков, появившихся в период разработки и внедрения второго поколения ЭВМ, объясняется невозможностью ни одним из существовавших языков рационально решать разнообразные задачи. Третье поколение ЭВМ поставило на повестку дня вопросы поиска нового подхода к созданию универсального алгоритмического языка.

Одной из попыток такого рода является создание фирмой IBM языка ПЛ/1 (Programming Language). Он основан на языках Фортран, Алгол и Кобол.

В 1971 г. появилась публикация с описанием языка Паскаль (Pascal), который является преемником Алгола-60. Он имеет конструкции, аналогичные существующим в ПЛ/1 и Алголе-60, однако более лаконичен. В Паскале проводятся идеи структурного программирования. Благодаря хорошей структурированности программ, написанных на языке Паскаль, над разработкой сложных проектов могут одновременно работать несколько программистов.

На основе языка Паскаль в конце 70-х гг. XX в. по заказу Министерства обороны США во Франции был разработан язык Ада (Ada). Язык назван в честь первой программистки Augusta Ada Byron, работавшей с Ч. Бэббиджем. Это хорошо структурированный язык, однако слишком громоздкий и многословный.

Назначение языка Ада – разработка программного обеспечения для компьютерных систем, встроенных в самонаводящиеся ракеты, космические объекты, самолеты. Эти системы работают в реальном масштабе времени, где накладываются жесткие требования на быстродействие. Язык Ада поддерживает параллельное выполнение задач в многомашинных и в многопроцессорных вычислительных системах. В этом случае программа делится на части и одновременно выполняется на нескольких процессорах.

Развитие современной вычислительной техники характеризуется тенденцией распространения многопроцессорных компьютеров и вычислительных сетей. Поэтому в области программного обеспечения вызывают все больший интерес языки, поддерживающие разработку распределенных программ (т.е. программ, которые выполняются с помощью нескольких процессоров или машин).

Одним из таких языков является Linda – язык, предназначенный для параллельной обработки данных. При использовании языка Linda вычислительный процесс делится на группу процессов, среди которых выделяется главный.

Указанные процессы осуществляются одновременно на нескольких процессорах и синхронизируются один относительно другого.

Кроме языков Ада и Линда, существуют и другие языки параллельного программирования, например, Erlang, Modula, Occam.

Язык СИ достаточно полно отражает возможности современных компьютеров, позволяя писать эффективные программы, не прибегая к сложным конструкциям языков Ассемблера. На этом языке написана популярная операционная система UNIX.

Перспективным направлением дальнейшего развития технологии программирования явилось создание объектноориентированных языков.

Объекты представляют собой многократно используемые программные модули. Структурно объекты состоят из двух частей: методов и переменных.

Методы представляют собой набор процедур и функций, определяющих алгоритм работы объекта. Переменные могут содержать как простые данные (числа, массивы, текст и т.д.), так и информацию сложной структуры (графика, звуки и т.д.).

Однотипные объекты объединяются в классы.

Объектно-ориентированное программирование (ООП) характеризуется следующими тремя признаками: инкапсуляцией, наследованием и полиморфизмом.

С помощью инкапсуляции данные одного объекта могут быть защищены от других объектов. Такое «сокрытие»

информации позволяет объектам спрятать их внутреннее устройство. При этом объект можно использовать, ничего не зная о механизме его работы и ненужных деталях.

При инкапсуляции объект заключается в непроницаемую оболочку, и только его внешний вид доступен для обозрения.

Объект отвечает за корректность реализации своей функциональной способности, а вызывающая объект программа – за корректность использования объекта.

С помощью механизма наследования одни классы объектов могут происходить от других. Дочерний класс способен унаследовать от своего родительского класса все его методы и данные, причем потомок может унаследовать способности и от нескольких родителей.