Теоретические основы ЭВМ (конспект)

Теоретические основы  курса изучения информатики по теме «ЭВМ» Программный продукт Основные понятия Программа – упорядоченная последовательность команд, записанных на языке,  понятном компьютеру, и приводящая к решению задач. Приложение – программная реализация на компьютере решения объемной задачи,  предназначенная для массового использования. С позиции программного обеспечения (ПО) выделяют 2 класса задач: 1) технологические (ставятся и решаются при организации технологического  процесса обработки информации на компьютере; являются основой для  разработки сервисных программ) 2) функциональные (ставятся в рамках предметной области, т.е.служат основой  для разработки, как правило, прикладных программ) Процесс создания программы предполагает следующие этапы: постановка задачи (определение содержательной стороны обработки данных;  выделение входных и выходных данных, их структуры и их взаимосвязи) алгоритмизация решения задачи (составление системы точно  сформулированных команд, которая определяет переход входных данных в  выходные) программирование (с одной стороны, создание программ; с другой стороны,  отрасль хозяйственной деятельности, связанная с затратами материальных,  трудовых и финансовых ресурсов) тестирование и отладка использование программы для решения пользовательских задач      По характеру использования все программы делятся на 2 класса:  утилитарные (созданные для нужд самих разработчиков, не предназначенные  для массового использования);  программные продукты (комплексы взаимосвязанных программ для решения  опр.задач массового спроса, предназначены для реализации) Участники разработки и эксплуатации программных продуктов Постановщики задачи Постановка задачи постановка зада Алгоритмизаци я Программирова ние Создание операционной среды Создание информационно й среды Использование Прикладные программисты Системные программисты Администратор БД Оператор ЭВМ Пользователи Постановщик задач – «посредник» между предметной областью и программистами,  помогает формализовать задачу. Прикладные программисты – занимаются разработкой и отладкой программ для  решения функциональных задач предметной области Системные программисты – занимаются разработкой и эксплуатацией системного  программного обеспечения, поддержкой работоспособности компьютера, создают среду  для работы конечного программного продукта Программист – аналитик – участвует в создании программных систем. Его задача –  интеграция (соединение) отдельных частей программного продукта в единое целое и анализ этого комплекса для решения задач предметной области Администраторы БД – создают и поддерживают БД, которая является основной  информационной среды программного продукта Оператор ЭВМ – квалифицированный специалист, программист или технический  работник, отвечающий за установку, отладку и поддержку работы программы Конечный пользователь – не имеет специальной квалификации, использует программы  для решения задач в своей предметной области 1) мобильность (независимость от технического комплекса, операционной среды,  Характеристики качества программного продукта предметной области) 2) надежность (бесперебойность, устойчивость в работе, диагностика ошибок и т.д.) 3) эффективность (полнота решений задач предметной области; с точки зрения  расходов вычислительных ресурсов) 4) учет человеческого фактора (дружественный интерфейс, наличие подсказки или  обучающей системы, качественная документация, корректные сообщения об  ошибках) 5) модифицируемость (способность внесения изменений – расширение функций  обработки, переход на новые версии, настройка под новую среду и т.д.) 6) коммуникативность (максимальная возможность интеграции с другими  программными продуктами) Жизненный цикл программного продукта Жизненный цикл программного продукта – период времени от замысла (заказа)  программного продукта до полного снятия его с продаж или эксплуатации. Основные этапы жизненного цикла: 1) маркетинг и спецификация (изучение рынка сбыта товара и описание требования) 2) проектирование (алгоритмизация процессов обработки данных; детализация  функций обработки; разработка общей структуры программного продукта;  разработка структуры информационной базы; выбор методов и средств для  программирования) 3) программирование, тестирование и отладка 4) документирование (сведения по установке, по обеспечению работы; об интеграции с др.программными продуктами; пользовательская поддержка, демонстрационная  версия, полная справка о программе) 5) выход на рынок 6) эксплуатация и сопровождение (гарантийное обслуживание) 7) снятие с продаж ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ Программное обеспечение ЭВМ – совокупность всех программ, обеспечивающих  нормальное функционирование компьютера и решения с его помощью различных  пользовательских задач. Hardware – аппаратное обеспечение (компьютер – единство аппаратуры и программного  обеспечения) Software – предназначено для решения задач (имеет несколько подтипов по способу  распределения) Freeware – бесплатное распределение программ Shareware – условно бесплатные программы (версии на определенный срок, требует  оплаты для получения полного пакета функций)   – демонстрационная версия по аналогии с shareware Trial   Лицензионно приобретенные программные продукты  Классификация ПО ЭВМ 1. Системное (базовое: ОС, операционные оболочки; сервисное) 2. Прикладное (общего назначения, специального назначения) 3. Инструментальные технологии программирования 1. Системное ПО СПО – неотъемлемая принадлежность компьютера. Содержит базовое и сервисное ПО. Базовое программное обеспечение образуется операционной системой и операционными оболочками, т.е. это минимальный набор программных средств, обеспечивающих  функционирование компьютеров. Операционные системы ОС – система программ, которая частично автоматизирует управление компьютером. 1­е ЭВМ работали без ОС. Все команды и адреса на них записывались в машинных  кодах. Прием кодировки (адреса) был характерен для каждого компьютера. Поэтому на  ЭВМ могли работать только специалисты.  Появление ОС упростило общение человека с компьютером, отделило пользователя и  остальные классы программы от непосредственного взаимодействия с аппаратурой. ОС выполняет роль посредника, обеспечивающего взаимодействие человека и компьютерной системы (интерфейс пользователя) программного обеспечения и аппаратуры (программно­аппаратный интерфейс) различных программ между собой (программный интерфейс) В настоящее время выделяют следующие типы пользовательских интерфейсов  1) командный (все команды вводятся с клавиатуры) M: MS­DOS 2) WIMP – интерфейс (с помощью системы меню, графических знаков, текстов) 3) SILK – интерфейс (использование речевых команд) ОС определяют роль посредника и обеспечивают взаимодействие человека и  компьютерной системы. Файл – совокупность данных, объединенная под общим именем и предназначенная для  хранения на внешнем носителе Программное обеспечение – совокупность всех программ 1) управление ресурсами (распределение внутренней памяти; управление  Функции ОС: процессорным временем; поддержка файловой структуры организованной информации) 2) управление исполнением программ и обеспечение их взаимодействия с аппаратурой 3) управление работой внешних устройств 4) координация работы всех частей компьютера 5) организация диалога с пользователем Для выполнения различных функций в состав ОС входят различные компоненты. Создание ОС требует высокой квалификации и выполняется системными  программистами на языке низкого уровня (ассемблерах). Обычно ОС ориентирована на определенный тип процессора. Одной из ОС для  персональных компьютеров была система SP/M, которая использовалась на машинах с 8­ миразрядными процессорами. Для 16­разрядных процессоров на ПК преобладала система MS­DOS. В настоящее время наиболее популярными являются ОС MS Windows, Linux, UNIX, Mac  OS. Основные компоненты ОС. 1. Ядро. Ядро объединяет несколько модулей. Выделяют 3 основных модуля 1) BIOS (Basic Input Output System) Базовая система ввода, вывода. Хранится в ПЗУ компьютера, запускается  непосредственно при включении. 2) МОДУЛЬ НАЧАЛЬНОЙ ЗАГРУЗКИ Короткая программа, которая находится в загрузочном секторе системного диска или  образует загрузку операционной системы 3) СИСТЕМНЫЙ МОДУЛИ ОС Группа модулей, располагающихся в разных местах системного диска, имеющая  стандартное расширение *sys Основная функция ядра ­ обеспечение начальной загрузки 2. Драйверы внешних устройств Драйвер ­ программа, которая управляет работой внешних устройств, преобразует  данные на входе и на выходе Чтобы сигнал от внешнего устройства был воспринят и правильно расшифрован  процессором, необходима работа драйвера. Каждое внешнее устройство имеет свой драйвер. Драйверы стандартных устройств, как правило, зашиты в ПЗУ 3. Командный процессор Командный процессор ­ это интерпретатор команд, процессор командного языка;  программа, обеспечивающая диалог пользователя и компьютерной системы. Диалог ведется на компьютерном языке. В качестве команд такого языка могут быть команды, набранные с клавиатуры или  выбранные из меню или действия пользователя. Эти команды переводятся командным процессором в двоичный код.  многозадачность (для пользователя реализуется посредством работы с несколькими Особенности ОС семейства Windows  "окнами" одновременно; Windows оптимально распределяет память и ресурсы  между выполняющимися программами ) возможность работы с одним объектом средствами разных программ (реализуется с  помощью совместимости приложений, используется технология связывания  объектов) легкость подключения новых внешних устройств (мастер подключений) единый пользовательский интерфейс для всех приложений   Интерфейс включает в себя:  различные меню (контекстное, стартовое, главное меню окна)  графические значки (графические ярлыки)  панели инструментов  реализация технологий ("перетащить ­ оставить") Файловые средства организации информации Информация, хранящаяся в памяти компьютера, организована в виде файлов. Понятие файла ­ многозначно. С одной стороны, файл ­ именованная область внешнего  носителя. С другой стороны, файл ­ информация, которая хранится в данной области  внешнего носителя. Файл ­ совокупность данных, объединенная под общим именем и предназначенная для  хранения на внешнем носителе. Управление файлами осуществляет одна из основных компонентов ОС ­ файловая  система. Она не является отдельным программным модулем, а выделяется как  функциональная часть для выполнения операций над файлами. Задачи файловой системы: 1) размещение файла на носителе 2) хранение файла 3) обеспечение доступа к файлам (загрузка в оперативной памяти и отображение  на внешнем устройстве) 4) обеспечение выполнения операций с файлами (создание, перемещение,  копирование, переименование, удаление) Поиск нужного файла выполняется по имени.  Это основная характеристика любого файла. Имя файла состоит из собственного имени файла и его расширения Например, file1.doc Правила записи имен могут быть различны в разных ОС Например, в MS­DOS допускается только английские буквы, цифры, некоторые  символы в именах. В Windows  разрешаются русскоязычные имена с пробелами, имена из  большого количества букв. Существуют запреты на использование символов, которые играют системную роль. Расширением считаются символы после последней точки. Как правило, расширение  указывает на тип и формат файла. Благодаря расширениям ОС определяет в каком приложении открыть данный файл. Особую роль играют расширения .exe, .com.  это исполняемые файлы, т.е. они содержат  программы уже готовые к исполнению, т.е. переведенные в двоичные коды. Файлы в файловой системе объединяются в каталоги. Существует корневой каталог, который сам не входит ни в один другой каталог  (обозначение логических или физических дисков). Каталог = папка Чтобы найти файл, необходимо указать его полное имя, т.е. весь путь от корневого  каталога. Например, С:\ Мои документы \ 7а \ Сидоров. doc В ОС с развитым графическим интерфейсом используются файловые менеджеры. Это по сути, тоже самое что операционные оболочки. Например, Total Commander, Windows Commander Файловые менеджеры ­ структуры, которые помогают при работе с файловыми  системами. Все функции операционной оболочки полностью соответствуют функциям файловых  менеджеров. Существует особый тип ОС ­ сетевые ОС. В них ко всем стандартным функциям ОС  добавляются функции по обеспечению работы сети. 2. Сервисное ПО (утилиты) Утилиты являются расширением базового ПО и служат для выполнения  вспомогательной операции обработки данных и обслуживания компьютера. К утилитам относятся:  программы диагностики работоспособности компьютера  антивирусные программы  программы обслуживания дисков (проверка качества дисков, восстановление  информации на дисках, создание резервных копий и т.д. )  программы архивирования данных (сжатие информации)  программы обслуживания сети 3. Прикладное ПО Прикладное ПО делится на прикладные программы и программы специального  назначения. Прикладные программы ­ программы, предназначенные для решения конкретных  задач пользователя, для людей, которые сами не составляют программы. В классе прикладных программ выделяют 2 подкласса:   универсальные (общего назначения) ­ предназначены для решения определенного  класса задач независимо от предметной области (текстовые и графические  процессоры) специализированные (проблемно­ориентировочные) ­ служат для решения задач  конкретной предметной области (1С бухгалтерия, инженерная графика и т.д.) Основными представителями прикладных программ общего назначения являются  следующие: a) программа обработки текстов b) программа обработки электронных таблиц c) графические редакторы d) СУБД ­ системы управления базами данных e) программы создания компьютерных презентаций Системы обработки текстов Выделяют 3 этапа развития программ обработки текстов 1) возможности текстового редактора (простое редактирование, набор текста,  сохранение на носителе, распечатка) 2) дополнительные возможности (структурирование больших объемов текстов,  форматирование символов, абзацев, страниц; контроль орфографии; вставка специальных  символов; возможность макросов) Макрос ­ небольшая подпрограмма, которую можно создать без программирования  пользователю Пример №2 ­ Лексикон 3) добавочные возможности (соединение текста с графическим изображением,  оформление листа, расширение количества шрифтов, возможность работы с таблицами  и  т.д.) Пример №3 ­ MS Word \ LibreOffice Write Различие между текстовым редактором и текстовым процессором в том, что у  текстового процессора более широкие возможности (+создание макросов) Основные возможности текстового редактора 1) редактирование текста (вставка, удаление, замена, копирование символов,  фрагментов) 2) форматирование символов (изменение цвета, размера, начертания, шрифта,  придание определенного стиля) 3) форматирование абзаца (интервалы, перемещение, отступы, выравнивание,  заливка) 4) форматирование списков (нумерованный, маркированный, многоуровневый) 5) форматирование страницы и документа в целом (сноски, колонтитулы, поля,  автоматическое оглавление, рамки) 6) поиск и замена 7) поддержка правописания (проверка орфографии) 8) таблицы 9) графические возможности (вставка специальных символов, готовых рисунков,  создание изображений средствами редактора) 10) работа с окнами 11) макросы 12) подготовка к печати и предварительный просмотр (брошюра документа) 13) сохранение на носителе 14) распечатка 15) работа с гипертекстами Гипертекст ­ "привязка" к текстовому фрагменту ссылки на другой фрагмент  документа или на другой объект (файл) Программы обработки электронных таблиц 1­я такая программа была создана в 1979г. студентом Гарвордского университета  Д.Бриклином и Р.Фрэнкстоном. Табличный процессор был создан для вычисления вычислительно­экономических задач  VisiCalc. В дальнейшем этот программный продукт был развит, дополнен новыми средствами и  наибольшее распространение получили следующие табличные процессоры:  SuperCalc  Lotus 1­2­3  Quatro Pro  Excel  Основные возможности современных табличных процессоров 1) ввод и редактирование разных данных в ячейке таблицы Ячейка ­ минимальная структурная единица электронной таблицы, пересечение строки  и столбца Данные ЭТ могут быть следующих типов: текст, числа (целые, вещественные, проценты), дата, время, расчет с помощью формул, адреса ячеек, из которых берутся данные для  вычисления. Формула начинается всегда со знака равно, также может содержать числа,  знаки +, ­ , *, /. a) относительные (записываются без всяких дополнительных знаков, при  Выделяют 2 типа адресов: копировании формулы этот адрес изменяется по направлению движения  формулы) b) абсолютные (сопровождаются специальным символом $, при копировании адрес  не изменяется) В табличных процессорах могут быть встроены функции разных категорий (COS, SIN,  МИН и т.д.) Формулы содержат адреса диапазонов (некоторых смежных ячеек) 2) форматирование таблиц и содержимого ячеек 3) графика (диаграммы и графики) 4) элементы анализа данных Эти возможности позволяют 1) вывести обобщенные результаты (итоги, сводные  таблицы); 2) ответить на вопрос "Что будет, если..." (таблицы подстановки, сценарии); 3)  ответить на вопрос "Как сделать, чтобы... "(подбор параметров и анализ данных). Системы управления базами данных (СУБД) В основе СУБД лежит база данных, построенная по определенной модели. Компьютерная реализация существует для 4 моделей данных:     иерархическая сетевая реляционная объектно­ориентировочная модель Иерархическая модель включает в себя: уровень, узел, связь. В ней соблюдаются следующие ограничения: 1) существует единственный (корневой)  узел, который не связан ни с одним вышестоящим; 2) от любого другого узла можно  поставить связь с единственным вышестоящим. ПРИМЕР. Сведения о структуре университета, сведения о структуре организации. Сетевая модель данных Элементы те же самые (см.выше), но нет никаких указанных ограничений. Объектно­ориентированная модель Главная особенность ­ с каждым информационным объектом связано не только его  свойство, но и его методы (т.е.операции, которые можно совершать как самому объекту,  так и с самим объектом) Реляционные базы данных Основными элементами являются : отношение (таблица), атрибут (поле, столбец),  домен (множество допустимых значений атрибута), запись (картеж, заполненная строка в  таблице), первичный ключ (множество полей отношений, которое однозначно  идентифицирует запись) В СУБД домен мог быть определен как тип данных, как список значений и т.д. Домен может быть записан как перечисление По значению первичного ключа можно найти одну строку Запись = строка Поле (атрибут) = столбец В реляционных БД связи осуществляются через внешние ключи. Внешний ключ ­ поле, множество полей, значения которых ссылаются на значение  Связи между отношениями первичного ключа другой таблицы. Таблица, содержащая внешний ключ, называется подчиненной или ссылающейся. Таблица, содержащая соответственный первичный ключ, на который идет ссылка,  называется главной или ссылочной. Существует три типа связей: 1:М, 1:1, М:М 1:1 (один к одному) Каждому значению внешнего ключа соответствует единственное значение связанного с  ним первичного ключа и наоборот. Такая связь используется редко, т.к. в этом случае все данные можно объединить в одно  отношение. 1:М (один ко многим) В этом случае каждому значению внешнего ключа соответствует единственное значение  связанного с ним первичного ключа, обратного не требуется М:М (многие ко многим) Каждому значению внешнего ключа может соответствовать любое количество связанных таблиц и наоборот В СУБД такая связь реализуется путем добавления вспомогательной таблицы, которая  включает первичные ключи связываемых таблиц. В любой реляционной БД должны быть обеспечены правила целостности. Существуют следующие правила: 1. Общие (относятся к любой БД, в любом отношении должен быть первичный  ключ, значение которого не может быть пустым; все значения внешних ключей  должны быть согласованы, т.е.должны быть только такими, которые имеются в  ссылочном первичном ключе) 2. Специфические (характерны для каждой конкретной БД, описывают ограничение на значения полей, например, дата приема на работу не может быть меньше даты  рождения) Программы обработки графики Можно выделить 2 основные цели использования компьютерной графики:  представление некоторой графической информации наглядно;  графика как самостоятельная область (создание самостоятельных графических  образов) Под графическим редактором понимается прикладная программа для создания и  изменения изображений, которая позволяет хранить их на внешнем носителе и  распечатывать. 1) изображение графических примитивов (точка, линия, прямоугольник, эллипс,  Основные функции графического редактора: многоугольник, ломаная) 2) рисование "кистями" разных форм в ручном режиме 3) детализация изображения (масштабирование) 4) использование цветовой палитры 5) работа с фрагментами изображения (перемещение, копирование, повороты,  искажения и т.д.) 6) соединение текста и графики 7) сохранение на носителе 8) распечатка (создание твердых копий) Виды компьютерной графики Растровая  Минимальная единица такого изображения ­ пиксель ("квадратик", точка), на которое  делится все изображение. Элементы такого изображения образуют на экране сетку,  которая называется растром. В памяти компьютера для такого изображения хранится информация о цвете пикселя в  виде двоичного кода.  Если изображение черно­белое, то белый цвет кодируется 0, черный ­ 1. Если цветное изображение, то каждому пикселю ставится в соответствие  последовательность 0 и 1. Чем длиннее последовательность, тем больше цветов может быть в изображении. Особенности ­ эффект пиксилизации при масштабировании, большой объем памяти для  хранения многоцветного изображения, при вырезке объекта остается "дырка", т.е.  изображение воспринимается как единая структура ПРИМЕРЫ:    Применяется для обработки фотографий  Paint, Adobe Photoshop Векторная графика Минимальная единица изображения ­ линия (каждая структура, которая была  прорисована), в памяти хранится информация о форме, толщине, цвете, начертании этой  линии. За счет этого в памяти компьютера изображение занимает гораздо меньше места. Особенности ­ отсутствие искажения при масштабировании, не дают фотографического  качества (не передают всех деталей), в памяти занимают мало места, при вырезании  вырезается только линия, а не весь фрагмент ПРИМЕРЫ:    Применяется в инженерной графике, в иллюстративной графике  Adobe Illustrator Прикладные программы специального назначения Предназначены для решения задач определенного класса в конкретной предметной  области. Чаще всего такие программы классифицируются по предметным областям: программа автоматизации бухгалтерского учета программа автоматизации финансовой деятельности программа управления персоналом программа управления материальными запасами система автоматизированного проектирования      учебные программы и т.д.  ПРИМЕРЫ: Консультант Плюс, 1С, Кодекс и т.д. Основные требования ­ оперативность обработки данных, возможность хранения  больших объемов информации, создание дружественного интерфейса, защита данных.