ВВЕДЕНИЕ В ИНФОРМАТИКУ
·
Представление об информационном обществе. Информатика. История
развития.
·
Технические средства реализации информационных процессов. Устройство
персонального компьютера (ПК)
Представление об
информационном обществе
В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций — преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.
Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.
Вторая (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.
Третья (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.
Четвертая (70-е гг. XX в.) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:
• переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
• миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;
• создание программно-управляемых устройств и процессов.
Термин информатика возник в 60-х гг. во Франции для названия области, знаний пользующейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин informatigue (информатика) образован путем ели слов information (информация) и automatigue (автоматика) и означает "информационная автоматика или автоматизированная переработка информации".
Более подробно история развития информатики представлена в следующем документе.
Информатика трактовалась как "комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основанных на ЭВМ систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной практики".
Информатика в таком понимании нацелена на разработку общих методологических принципов построения информационных моделей. Поэтому методы информатики применимы всюду, где существует возможность описания объекта, явления, процесса и т.п. с помощью информационных моделей.
Существует множество определений информатики, что связано с многогранностью ее функций, возможностей, средств и методов. Обобщая опубликованные в литературе по информатике определения этого термина, предлагаем такую трактовку.
Информатика — это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения.
Часто возникает путаница в понятиях "информатика" и "кибернетика". Попытаемся разъяснить их сходство и различие.
Основная концепция, заложенная Н. Винером в кибернетику, связана с разработкой теории управления сложными динамическими системами в разных областях человеческой деятельности. Кибернетика существует независимо от наличия или отсутствия компьютеров.
Наиболее часто встречающееся определение информатики в технической литературе:
Информатика – наука о всеобщих
принципах, способах, методах сбора, хранения, передачи, отображения,
представления и переработки информации.
Структура
информатики
Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации главным образом с помощью компьютеров и телекоммуникационных средств связи во всех сферах человеческой деятельности.
Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей — технических средств (hardware), программных средств (software), алгоритмических средств (brainware). В свою очередь, информатику как в целом, так и каждую ее часть обычно рассматривают с разных позиций: как отрасль народного хозяйства, как фундаментальную науку, как прикладную дисциплину.
Задачи
информатики состоят в следующем:
• исследование информационных процессов любой природы;
• разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов;
• решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.
Информатика существует не сама по себе, а является комплексной научно-технической дисциплиной, призванной создавать новые информационные техники и технологии для решения проблем в других областях. Она предоставляет методы и средства исследования другим областям, даже таким, где считается невозможным применение количественных методов из-за неформализуемости процессов и явлений. Особенно следует выделить в информатике методы математического моделирования и методы распознавания образов, практическая реализация которых стала возможной благодаря достижениям компьютерной техники.
Главное отличие вычислительных машин от всех
других искусственно созданных предметов — это программное управление их
работой, т. е. для решения более или менее сложной задачи пользователю
необходимо составить перечень инструкций или команд, следуя которому шаг за
шагом ЭВМ выдаст необходимый результат.
Таким образом, для того чтобы решать задачу на
ЭВМ, ее необходимо сначала, как говорят, алгоритмизировать.
Алгоритм — это конечный набор правил, позволяющих чисто механически решать любую конкретную
задачу из некоторого класса однотипных задач.
Технические средства
реализации информационных процессов. Устройство персонального компьютера (ПК)
Архитектура ЭВМ - совокупность основных устройств, узлов и блоков ЭВМ,
а также структура основных управляющих и информационных связей между ними,
обеспечивающая выполнение заданных функций.
Архитектура в информатике - концепция взаимосвязи элементов сложной структуры,
включает компоненты логической, физической и программной структур.
Архитектура компьютера обычно
определяется совокупностью ее свойств, существенных для пользователя.
В 1945 г. отец современной компьютерной архитектуры Джон фон Нейман,
великий математик подготовил доклад о машине, которая могла бы хранить
программы в памяти. 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. Он был консультантом проекта EDVAC и внес большой личный вклад во многие фундаментальные изобретения,
легшие в основу одного из первых в истории компьютеров. В 1946 году
возглавлявшие разработку инженеры Экерт и Мочли попытались запатентовать все основы технологии EDVAC, включая и те вещи, которые
придумал фон Нейман. Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон
Неймана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. И на
настоящий день подавляющее большинство компьютеров сделано в соответствии с
принципами фон Неймана (см. рис. 1).
Рисунок 1
Обозначения: ЦПУ - центральное процессорное
устройство. Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
- для арифметических вычислений и принятия логических решений. Запоминающее
устройство (ЗУ) служит для хранения информации. Устройство
управления (УУ) - координация различных блоков ЭВМ.
Принцип открытой
архитектуры - состоит в
обеспечении возможности переносимости прикладных программ между различными
платформами и обеспечения взаимодействия систем друг с другом. Эта возможность
достигается за счет использования международных стандартов на все программные и
аппаратные интерфейсы между компонентами систем. Это позволяет, во-первых,
выполнять модернизацию ПК (upgrade), дополняя
его новыми элементами и заменяя устаревшие блоки, во-вторых, дает возможность
пользователю составлять самостоятельно структуру своего ПК в зависимости от
конкретных целей и задач.
Структура компьютера - некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.
Структура персонального
компьютера (ПК)
ПК состоит из системного блока и периферийного
оборудования.
Его конфигурацию
(состав оборудования) можно гибко изменять по мере необходимости. Тем не менее,
существует понятие базовой конфигурации, которую считают
типовой. В таком комплекте компьютер обычно поставляется. Понятие базовой
конфигурации может меняться.
В настоящее время в базовой
конфигурации рассматривают четыре устройства:
•
системный блок;
•
монитор;
•
клавиатура;
•
мышь (считалось
до появления графического интерфейса операционной системы компьютера дополнительным
устройством!!! ).
Ниже приведена структурная схема персонального компьютера типа IBM PC
Рисунок 2 Структурная схема персонального компьютера
Условные обозначения месторасположения компонентов ПК:
Системный блок
Материнская
плата
Периферийные (внешние) устройства
Основные и дополнительные
устройства ПК
Микропроцессор.
Самым главным элементом в компьютере, ее «мозгом», является микропроцессор — небольшая (в несколько сантиметров) электронная схема, выполняющая все вычисления и обработку информации. Микропроцессор умеет производить сотни раз
личных операций и делает это со скоростью в несколько десятков или даже сотен миллионов операций в секунду. В компьютерах типа IBM PC используются микропроцессоры фирмы Intel, а также совместимые с ними микропроцессоры других фирм. Подробную информацию о процессорах можно получить в следующем документе.
Оперативная память. Следующим очень важным элементом компьютера является оперативная память. Именно из нее процессор и сопроцессор берут программы и исходные данные для обработки, в нее они записывают полученные результаты. Название «оперативная» эта память получила потому, что она работает очень быстро, так что процессору не приходится ждать при чтении данных из памяти или записи в память. Однако содержащиеся в ней данные сохраняются только пока компьютер включен, при выключении компьютера содержимое оперативной памяти стирается.
Контроллеры и шина. Чтобы компьютер мог работать, необходимо, чтобы в его оперативной памяти находились программа и данные. А попадают они туда из различных устройств компьютера — клавиатуры, дисководов для магнитных дисков и т.д. Результаты выполнения программ также выводятся на внешние устройства — монитор, диски, принтер и т.д.
Таким образом, для работы компьютера необходим обмен информацией между оперативной памятью и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом-выводом. Но этот обмен не происходит непосредственно: между любым внешним устройством и оперативной памятью в компьютере имеются целых два промежуточных звена:
Кэш-память. Для достаточно быстрых компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе микропроцессор будет простаивать и быстродействие компьютера уменьшится. Для этого такие компьютеры могут оснащаться кэш-памятью, т.е. «сверхоперативной» памятью относительно небольшого объема (обычно от 64 до 256 Кбайт), в которой хранятся наиболее часто используемые участки оперативной памяти. Кэш-память располагается «между» микропроцессором и оперативной памятью, и при обращении микропроцессора к памяти сначала производится поиск нужных данных в кэш-памяти.
Системная шина. Еще одна важная характеристика компьютера, которая наряду с типом основного микропроцессора определяет возможности и диапазон применимости компьютера — это тип системной магистрали передачи данных внутри компьютера, в просторечии — шины. Шина входит в состав материнской системной платы компьютера и осуществляет обмен данными между процессором или оперативной памятью и контроллерами внешних устройств компьютера: клавиатуры, монитора, дисков и т.д. (Подробную информацию о системной (материнской) плате и системной шине можно получить в следующем документе.) Все контроллеры внешних устройств, кроме размещенных непосредственно на материнской плате, подключаются к компьютеру путем вставки этих контроллеров в свободные разъемы (слоты) шины.
Накопители на
жестком диске. Накопители
на жестком диске (винчестеры) предназначены для постоянного хранения
информации, используемой при работе с компьютером: программ операционной
системы, часто используемых пакетов программ, редакторов документов,
трансляторов с языков программирования и т.д. Наличие жесткого диска
значительно повышает удобство работы с компьютером.
Для пользователя накопители на жестком диске отличаются друг от друга прежде всего своей емкостью, т.е. тем, сколько информации помещается на диске.
Скорость работы диска характеризуется двумя показателями:
• временем доступа к данным на диске;
• скоростью чтения и записи данных на диске.
Эти характеристики соотносятся друг с другом приблизительно так же, как время разгона и максимальная скорость автомобиля.
Пропускная способность ввода/вывода. Еще одна очень важная характеристика жестких дисков, которой, как ни странно, редко уделяется должное внимание — это пропускная способность тракта ввода/вывода с диском. Она зависит не только от жесткого диска, но и в значительной мере от контроллера диска и типа системной шины, а поэтому не указывается ни в спецификации компьютера, ни в документации диска. Подробную информацию о жестком диске можно получить в следующем документе.
Мониторы. Монитор (дисплей) компьютера IBM PC предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации. Мониторы бывают цветными и монохромными. Они могут работать в одном из двух режимов: текстовом или графическом. Подробную информацию о мониторах можно получить в следующем документе.
Текстовый режим. В текстовом режиме экран монитора разбивается на отдельные участки — знакоместа, чаще всего к 25 строк по 80 символов (знакомест). В каждое знакоместо может быть выведен один из 256 заранее заданных символов. В число эти символов входят большие и малые латинские буквы, цифры, символ!
Графический режим. Графический режим монитора предназначен для вывода на экран графиков, рисунков и т.д. Разумеется, в этом режиме можно также выводить И текстовую информацию в виде различных надписей, причем эти надписи могут иметь произвольный щрифт, размер букв и т.д.
В графическом режиме экран монитора состоит из точек, каждая из которых может быть темной или светлой на монохромных мониторах или одного из нескольких цветов — на цветном. Количество точек по горизонтали и вертикали называется разрешающей способностью монитора в данном режиме. Например, выражение «разрешающая способность 640х200» означает, что монитор в данном режиме выводит 640 точек по горизонтали и 200 точек по вертикали.
Скорость работы. Важной характеристикой адаптера монитор является скорость работы. В текстовом режиме все адаптеры paботают достаточно быстро, но при выводе графических изображений высокой разрешающей способностью скорость работы может быть довольно существенна.
Видеопамять. Монитор по отношению к процессору выступает той же роли, что телевизор по отношению к телецентру: он показывает изображение, формируемое процессором компьютера. Но телевизор непрерывно получает видеосигнал из телецентра, а монитор компьютера на это «рассчитывать» не может. Дело в том, что процессор должен заниматься многими другими задачами, а не только передавать картинку на монитор. Поэтому монитор, а точнее его адаптер, должен иметь специальную память (она называется видео памятью), в которую процессор записывает картинку. Подробную информацию о видеопамяти (видеоадаптере) можно получить в следующем документе.
Клавиатура предназначена для ввода в компьютер информации от пользователя.
Мышь — это
манипулятор для ввода информации в компьютер
Модем — устройство для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть.
Факс-модем — устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсимильными изображениями с другими факс-модемами и обычными телефаксными аппаратами.
Графопостроитель (плоттер) — устройство для вывода чертежей на бумагу. Плоттеры несколько дешевле, чем лазерные принтеры, но скорость печати у них ниже. Плоттеры бывают барабанного типа (работают с рулоном бумаги) и планшетного типа (в них лист бумаги лежит на плоском столе). Как правило, плоттеры используются в системах конструирования (САПР) для вывода чертежей.
Сканер — устройство для считывания графической и текстовой информации в компьютер. Сканеры могут вводить в компьютер рисунки. С помощью специального программного обеспечения компьютер может распознавать символы во введенной через сканер картинке, это позволяет быстро вводить напечатанный (а иногда и рукописный) текст в компьютер.
В целом устройства персонального компьютера можно разделить на две части: это основные устройства (без которых компьютер вообще не заработает) и дополнительные которые дополняют компьютер новыми возможностями.
Информацию обо всех этих устройствах можно получить в хрестоматии по первой лекции, а также в презентациях по темам:
устройства отображения информации;