Запись содержимого полубайта в разных системах счисления 3 страница

Кроме формализации знаний, в деятельности каждого современного предприятия огромную роль играет формализация данных, их хранение и эффективное использование. Например, крупный завод не сможет работать без данных о своих возможных поставщиках, о номенклатуре производимых ими изделий и деталей, о ценах, о кадрах, о запасах на складах, обо всех поступлениях финансовых ресурсов и расходах – без множества самых разнообразных массивов данных, обычно формализованно хранимых в соответствующих таблицах. Огромную роль играют также данные о свойствах применяемых материалов, результаты измерений параметров технологических процессов, позволяющие оптимизировать режимы различных производственных установок и т.п. Все эти данные на современном предприятии хранятся в соответствии с определенными правилами, образуя базу данных. База данных – это совокупность связанных формализованных данных, организуемых и используемых в соответствии с общими правилами их описания, хранения и манипулирования ими.

Ограничившись пока предварительными, довольно общими представлениями о базах данных, введем еще одно понятие, чрезвычайно важное для понимания роли информационных технологий в современном обществе. Формализованные знания, преимущественно концентрируемые в алгоритмах и программных продуктах, и формализованные данные, накапливаемые в базах данных, в совокупности образуют информационные ресурсы, причем говорят об информационных ресурсах предприятия, отрасли и страны в целом. Последние называют национальными информационными ресурсами [ 3 ]. Эти ресурсы позволяют обществу производить высокотехнологичную продукцию и потому во все большей степени определяют мощь страны.

Национальные информационные ресурсы формируются множеством организаций, которые ведут исследования в различных предметных областях, создают технические и программные средства информационных технологий, аккумулируют данные. Кроме технического, программного и информационного обеспечения, при создании современных информационно-обрабатывающих систем огромную роль играет организационное обеспечение. Опыт и логика доказывают, что без воли руководства в крупной организации невозможно добиться, чтобы каждый новый фрагмент данных всегда оказывался на своем месте в базах данных предприятия, а не приватизировался отдельными сотрудниками, для которых, в силу типичных для человека психологических особенностей, характерно стремление к обособлению.

 

 

Контрольные вопросы к разделу 4: что такое модель объекта (явления); что такое математическая модель; что такое алгоритм; изображение алгоритма в виде блок-схемы; алгоритмизация и создание программных продуктов как метод формализации знаний; определение базы данных; информационные ресурсы; национальные информационные ресурсы.

 

5. Технические средства информационных технологий

 

Технические (аппаратные) средства информационных технологий в англоязычной литературе называют hardware (дословно – жесткие изделия), в отличие от программных средств – software (дословно – мягкие изделия). К техническим средствам относятся компьютеры, подключаемое к ним периферийное оборудование и сетевые коммуникации.

 

 

5.1. Основные блоки персонального компьютера

Персональный компьютер (ПК) – это настольная или переносная ЭВМ, характеризующаяся сравнительно малой стоимостью и универсальностью применения. Современный компьютер конструктивно состоит из системного блока, видеомонитора, клавиатуры. К нему всегда подключается манипулятор мышь или какой-нибудь ее аналог (Track Ball и т.п.), часто – аудиоколонки, принтер, плоттер, сканер, сетевые коммуникации, иногда – другие, менее распространенные периферийные устройства.

Основные функциональные части компьютера размещаются в корпусе системного блока. В нем крепится материнская плата, содержащая системную шину, генератор тактовых импульсов, контроллер клавиатуры, последовательный порт LPT1 и параллельные порты COM1, COM2. В современных компьютерах Pentium материнская плата содержит также контроллеры накопителей на жестких и гибких магнитных дисках (НЖМД и НГМД), а также USB-порты – универсальные порты для подключения периферийных устройств. USB-порт обеспечивает передачу данных и питания. Поэтому, если устройство, например сканер, подключается к системному блоку через USB-порт, то это периферийное устройство уже не надо подключать к электрической сети.

В материнскую плату вставляются процессор, блоки оперативной памяти – ОП (оперативного запоминающего устройства - ОЗУ), таймер и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). В материнскую плату также вставляется видеокарта – плата, обеспечивающая обмен между системной шиной и монитором, а при необходимости - звуковая карта, сетевая карта и модем, если он внутренний. В корпусе системного блока компьютера размещаются также блок питания с вентиллятором, НЖМД (винчестеры) и НГМД. Сборка современного компьютера сравнительно проста, благодаря высокой интеграции блоков. Поясним те из них, которые наиболее важны для понимания функционирования компьютера (см. рис. 5.1).

Системная шина – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение всех его устройств и передачу информации в трех основных направлениях:

· между процессором и основной памятью,

· между процессором и портами ввода-вывода внешних устройств,

· между основной памятью и портами ввода-вывода, т.е. в режиме прямого доступа к памяти.

Свои функции системная шина выполняет с помощью входящих в нее проводов и схем сопряжения, по которым во все блоки компьютера передаются управляющие сигналы, требуемые адреса основной памяти, содержимое этих адресов, т.е. операнды машинных команд, и энергопитание большинства устройств. Все устройства подключаются к шине непосредственно или через порты и контроллеры (адаптеры) с помощью унифицированных разъемов. Например, в разъемы винчестера и CD ROM (устройство чтения с компакт-дисков) вставляются разъемы шлейфов, идущих от контроллера НЖМД, причем часто для этой цели используются два разъема на одном и том же шлейфе проводов.

		Монитор
	Процессор
			НЖМД
					Блок питания
		ОП

 

 

				Контроллер НГМД

 

 

Системная

ПЗУ

шина

	Генератор тактовых импульсов

 

 

Рис. 5.1. Структурная схема персонального компьютера

 

Процессор (микропроцессор) управляет работой всех блоков и выполняет операции над данными – логические и арифметические. С помощью логических операций проверяются различные условия (см. блок 4 на рис. 4.1), что часто приводит к изменению последовательности выполнения команд в программе. С помощью арифметических операций числа, предварительно выбранные из основной памяти на регистры арифметического устройства процессора, могут складываться, перемножаться и т.п. (см. раздел 3). Вообще говоря, процессор персонального компьютера имеет обширную систему команд, и их только условно можно делить на логические и арифметические. Процессоры с полным набором команд (Complex Instruction Set Computing) называют CISC-процессорами. Большинство современных ПК типа IBM PC оснащаются именно CISC-процессорами. На выполнение одной команды в таких процессорах тратится не менее 4 тактов. В мощных вычислительных системах все чаще используются RISC-процессоры, в которых применен сокращенный набор команд (Reduced Instruction Set Computing). Такие компьютеры содержат только простые, самые употребительные команды, из которых “собираются” сложные операции. Зато каждая команда в RISC-процессоре выполняется за один такт. До появления процессоров Pentium микропроцессор компьютеров типа IBM PC выполнял только операции с фиксированной точкой, а для работы с действительными числами в системном блоке компьютера размещался еще математический сопроцессор. Теперь он находится в составе процессора. Для того чтобы многократно не обращаться к оперативной памяти для чтения команд и операндов при исполнении циклов, современный процессор имеет встроенную быстродействующую КЭШ-память емкостью до 512 Кбайт и больше у дорогих моделей. Часть этой памяти может размещаться на материнской плате. КЭШ-память не доступна для пользователя (в переводе Cache означает «тайник»).

Генератор тактовых импульсов задает упоминавшиеся уже такты работы машины в виде последовательности электрических импульсов. Тактовая частота – одна из основных характеристик компьютера, во многом определяющая его быстродействие.

Оперативная память (ОП) обеспечивает оперативную запись, хранение и предоставление информации другим блокам ПК во время его работы. Это быстрая, но энергозависимая память: ее содержимое не сохраняется после выключения компьютера. Объем оперативной памяти современного ПК 256-512 Мб и более.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) содержит тест, проверяющий в момент включения компьютера работу памяти и устройств, хранит параметры подключенных к компьютеру дисковых накопителей, последовательность попыток загрузки ОС (например, первая попытка - с диска A:, если же на нем нет системной дискеты, то с диска C:). ПЗУ также хранит программу чтения с диска в ОП программы-загрузчика ОС и некоторые другие программы базовой системы ввода-вывода (BIOS – Base Input/Output System). ПЗУ – это либо энерго-малозависимая память (поддерживается батарейкой), либо энергонезависимая память на флэшкарте.

Таймер – это электронные часы, с которых программы при необходимости снимают текущую дату и время с точностью до долей секунды. Таймер поддерживается батарейкой – обычно той же, что и ПЗУ.

Монитор (дисплей) и видеоадаптер образуют видеосистему компьютера, которая необходима для отображения информации. Монитор, клавиатура и мышь позволяют пользователю управлять работой программ, взаимодействуя с ними (см. раздел 2). Монитор может быть выполнен на основе электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) или на основе жидкокристаллической панели (LCD). На мониторе отображается информация, формируемая программами в памяти видеоадаптера. Основными параметрами, характеризующими видеосистему компьютера, являются размер диагонали экрана в дюймах (например, 17 дюймов), размер зерна (например, 0.25 мм) и емкость видеобуфера (например, 128 Мб). От этих параметров зависит разрешение, которое можно установить программно. Разрешение – это количество точек, формирующих изображение на дисплее (например, 1024 ´ 768). На материнских платах присутствует порт AGP (Advanced Graphic Port), через который подключаются видеокарты (видеоадаптеры).

Клавиатура обычно состоит из 101 клавиши, но встречаются более удобные при работе с Windows клавиатуры из 104 клавиш. На клавишах нанесены латинские и русские буквы, цифры, знаки препинания и другие символы, используемые для управления работой программ. Клавиши можно разбить на 5 групп:

· буквенно-цифровые, размещенные в центральной части клавиатуры; для переключения в режим ввода русских букв чаще всего применяется одновременное нажатие двух клавиш – <Ctrl> + <Shift> или <Alt> + <Shift>; для обратного переключения эти же клавиши нажимаются повторно; если удерживать клавишу <Shift>, то вводимые буквы будут заглавными; если надо перейти на верхний регистр, например, для ввода заголовка, то нажимают клавишу <Caps Lock>; при ее повторном нажатии верхний регистр отменяется;

· клавиши малой цифровой клавиатуры, размещенные в правой части клавиатуры; иногда с их помощью удобнее вводить числа; они могут использоваться и для перемещения курсора – после нажатия на клавишу <Num Lock>;

· клавиши перемещения курсора, размещенные между первыми двумя группами клавиш;

· функциональные клавиши F1, F2, …, F12; в некоторых программах они используются как командные кнопки, т.е. для активизации событийных процедур;

· управляющие клавиши, используемые для переключения регистров, или для прерывания работы программы (клавиша <Pause/Break>), для перезагрузки компьютера (комбинация <Alt> + <Ctrl> + <Del>), для копирования в буфер обмена графического образа экрана (<Print Screen>) или же графического образа активного окна (<Alt> + <Print Screen>), для завершения ввода какой-либо команды или фрагмента информации (<Enter>) и для некоторых других целей.

Накопители на магнитных дисках используются для долговременного хранения файлов, содержащих разнообразную информацию – данные и программы. В отличие от ОП, дисковые запоминающие устройства считаются внешними, хотя обычно крепятся в корпусе системного блока.

Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) позволяют записывать и многократно перезаписывать файлы на дискеты, имеющие диаметр 3.5 дюйма и емкость 1.44 Мбайта. В последнее время для оперативного перенесения файлов вместо дискет все чаще применяются флэш-карты, конструктивно оформляемые в виде брелков. Они подключаются к USB-портам, причем в корпусе современного компьютера несколько USB-портов обычно выводятся на переднюю панель. Емкость флэш-карт обычно превышает 64 Мб, увеличивается с каждым годом и уже достигла 1 Гб. Поэтому можно считать, что накопители на гибких магнитных дисках (дискеты) доживают последние годы.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) – это винчестеры. Они позволяют записывать и перезаписывать файлы на пакет герметично закрытых дисков, вращающихся на общей оси. Каждый диск состоит из дорожек. Магнитные головки записи-чтения, не касаясь дисков, как бы летят над ними. Дорожки всех дисков винчестера, равноудаленные от оси, логически образуют цилиндр. Дорожки делятся на сектора, а сектора – на кластеры. Кластер – это минимальный объем дисковой памяти, выделяемый для записи файла. Объем кластера обычно от 4 до 32 Кб, а емкость всего винчестера теперь, как правило, превышает 40 Гб. Если файл не помещается в цепочку смежных кластеров (дальше место занято другим файлом), то он записывается в несколько цепочек кластеров. Для каждого кластера ОС запоминает на диске номер следующего кластера, занятого файлом. При первом сохранении файла (File/Сохранить как…) или при его закрытии номер первого кластера заносится в каталог. Если некорректно завершить работу программ (например, просто выключить компьютер из сети), то некоторые создаваемые программами файлы не будут отображены в каталоге диска, и на винчестере останутся «занятые» кластеры, на которые нет ссылок в каталогах файловой системы. Их освобождают с помощью служебной программы ScanDisk. Другая служебная программа (Defrag) периодически применяется, чтобы повысить эффективность использования диска. Путем перемещения содержимого кластеров эта программа добивается того, чтобы каждый файл размещался в одной цепочке смежных кластеров. Все это справедливо для файловых систем FAT-16 и FAT-32. В Windows NT/2000/XP, предлагается использовать файловую систему NTFS, в которой единой таблицы размещения файлов FAT (File Allocation Table) уже нет. NTFS – более сложная, по сравнению с FAT-32, файловая система, но у нее есть такие преимущества, как невозможность появления «ничейных» кластеров, способность к самовосстановлению, а также практически неограниченный размер тома и файла на нем (до 16 экзабайт; 1 экзабайт = 1000000 гигабайт; при использовании FAT32 можно отформатировать тома, объем которых не превышает 32 Гбайт). Кроме того, NTFS позволяет назначать права доступа к отдельным файлам. Однако если файл будет скопирован из раздела или тома NTFS в раздел или на том FAT, все права доступа и другие уникальные атрибуты, присущие NTFS, будут утрачены.

Накопители на лазерных дисках (CD ROM – Compact Disk Read-Only Memory) позволяют считывать информацию с компакт-дисков емкостью 700-800 Мбайт. Компакт-диск имеет дорожку в виде непрерывной спирали, на которой чередуются отражающие участки и не отражающие свет впадины. Подобно дискете, он вставляется в устройство CD ROM, после чего работа с ним не отличается от работы с данными на жестком диске или дискете, только перезапись информации невозможна. В промышленных условиях компакт-диски изготавливаются путем прессовки.

В настоящее время CD ROM устанавливают практически в каждый компьютер. В последние годы широкое распространение получили перезаписывающие CD, а также DVD-приводы и соответствующие диски CD-RW и DVD-RW. Формат DVD был разработан для записи кинофильмов. На однослойном одностороннем DVD-диске помещается 4.7 Гб информации, т.е. двухчасовой фильм или любые другие файлы. На двухслойном или двустороннем и, тем более, на двустороннем двухслойном DVD-диске объем хранимых данных в 2-4 раза больше, причем DVD-приводы позволяют работать и с CD-дисками. CD и DVD- диски чрезвычайно удобны для периодического сохранения информации.

На CD и DVD- дисках теперь поставляется программное обеспечение, обучающие программы, музыка, видеофильмы, справочники, базы данных и т.п. Правда, чтобы иметь возможность использовать аудио и видеоинформацию, компьютер надо еще укомплектовать звуковой картой и аудиоколонками. Для ввода звуковой информации требуется также микрофон. Если компьютер оснастить еще ТВ-тюнером, то он в полном объеме выполняет и функции телевизора.

В совокупности комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером через звук, видео, графику, т.е. в естественных для себя средах, называют средствами мультимедиа (multimedia – многосредовость). Звук и видео используются не только для развлечений, но и для пояснения формализованных данных.

 

5.2. Основные периферийные устройства, подключаемые к компьютеру

К числу периферийных устройств, чаще всего подключаемых к ПК, относятся принтеры, плоттеры, сканеры и дигитайзеры.

Принтеры различаются по способу печати (матричные, струйные, лазерные), формату бумаги (А4: 297 мм ´ 210 мм, А3: 420 мм ´ 297 мм), по скорости печати, цветности и разрешающей способности, по количеству встроенных шрифтов.

В матричных принтерах изображение символа формируется за счет удара иголок по бумаге через красящую ленту. Наиболее распространены 9-игольчатые матричные принтеры, реже встречаются 24-игольчатые. В зависимости от модели принтера и режима печати за 1 минуту печатаются 1-2 страницы. Самым быстрым является режим черновой однопроходовой печати – режим Draft. В других режимах (NLQ – Near-Letter-Quality, LQ – Letter-Quality, SLQ – Super-Letter-Quality) строка печатается за несколько проходов печатающей головки, и благодаря этому обеспечивается высокое качество. В набор встроенных шрифтов могут включаться roman (как у пишущей машинки, но мелкий), italic (курсив), bold-face (полужирный), expanded (растянутый), condenced (сжатый), courier (курьер), san serif (рубленый) и некоторые другие. Режимы работы и шрифты обычно могут переключаться как аппаратно, с помощью переключателей, так и программно. Матричные принтеры уже встречаются довольно редко, т.к. они дороже струйных и уступают им по качеству печати. Достоинством многих матричных принтеров является широкая каретка.

Струйные принтеры чрезвычайно удобны там, где объем печати не велик. Эти принтеры наиболее доступны по цене, предельно просты в эксплуатации, позволяют печатать в цвете, по скорости печати не уступают матричным, а по качеству приближаются к лазерным. Вместо иголок в их печатающей головке применяются тонкие трубки-сопла (от 12 до 64) для выбрасывания на бумагу мельчайших капелек красителя. Замена картриджа на новый, в том числе цветного на черный и наоборот производится моментально. Недостатком всех струйных принтеров можно считать малую емкость и дороговизну картриджей. Кроме того, в отличие от ксерокса и лазерных принтеров, краска наносится без прогревания и поэтому легче смазывается.

В лазерных принтерах применяется электрографический способ формирования изображений. Лазерный луч разряжает на поверхности электростатически заряженного барабана контуры изображения. После проявления изображения налипающим порошком тонера выполняется печать с закреплением тонера на бумаге путем его разогрева до плавления. Лазерные принтеры позволяют получить высокое качество и скорость печати. Разрешение достигает 600-1200 dpi, а скорость монохромной печати 10-15 стр./мин. Достоинством лазерного принтера является также экономное расходование тонера – картриджа хватает надолго даже при печати сотен страниц ежедневно. Широко распространены только лазерные принтеры формата А4 (297 мм ´ 210 мм). Лазерные принтеры формата А3 (420 мм ´ 297 мм) пока очень дороги.

Плоттеры применяются для создания графических документов большого размера - обычно это форматы А2 (594 мм ´ 420 мм), А1 (840 мм ´ 594 мм), А0 (1188 мм ´ 840 мм). Применяются перьевые и, все чаще, струйные плоттеры. Струйные плоттеры по принципу работы аналогичны струйным принтерам. Они позволяют формировать как растровые, так и векторные изображения (см. раздел 3). Перьевые плоттеры (графопостроители) – это инструмент векторной графики. Закрасить (залить) тот или иной контур с помощью графопостроителя можно только путем штриховки. В графопостроителе по команде смены пера пишущий узел возвращает прежнее перо в его гнездо и захватывает другое перо из гнезда с соответствующим номером. Перья напоминают укороченные шариковые ручки разного цвета. Отрезки прямых проводятся путем перемещения пишущего узла с пером в точку, координаты которой (обычно в см) указаны в очередной команде. В большинстве современных графопостроителей пишущий узел перемещается только по оси X, а по оси Y одновременно протягивается в требуемом направлении лист бумаги.

Сканеры применяются для ввода изображения в компьютер с листа бумаги. Ввод выполняется с помощью программы, которая позволяет управлять сканером и создает файл в выбранном растровом графическом формате (см. раздел 3). Для сканирования карт больших размеров применяют сканирующие головки. Такая головка (ее стоимость обычно очень велика) закрепляется в пишущем узле графопостроителя вместо пера. Эта функция предусмотрена только в некоторых дорогих графопостроителях.

Файл, содержащий графический образ отсканированного документа, может быть подвергнут разным видам обработки, в зависимости от содержания документа. Если это просто картинка или фотография, то файл может быть обработан графическим редактором Adobe Photoshop или др. (изменение яркости, контрастности, выделение прямоугольного фрагмента, разворот изображения, ретушь, добавление других слоев с графическими объектами, надписями и т.п.) и напечатан. Если документ содержит текст, то используется одна из программ автоматического распознавания текста. Наиболее популярна программа ABBYY FineReader. Она получает на вход файл в растровом графическом формате (например, BMP, GIF, JPG), а на выходе создает файл в одном из текстовых форматов, например, в формате Word. Если же документ содержит чертеж, то используются программы полуавтоматической векторизации. Такие программы прослеживают в точечной матрице линии и формируют графический файл в векторном формате.

Дигитайзер (цифровой стол) выполняет функцию, обратную функции графопостроителя. Пользователь как-бы обводит с помощью копира или специального перекрестья линии чертежа (карты). При этом координаты точек каждой «снятой» линии фиксируются. Кроме того, программа, управляющая цифровым столом, обычно позволяет вводить с клавиатуры в виде примечаний надписи, типы и названия (идентификаторы) картографических объектов. Получаемый файл затем становится входным для специальных программ, работающих с картографическими объектами в геологии, геофизике, картографии и других предметных областях.

 

5.3. Компьютерные сети

Компьютерная (вычислительная) сеть – это совокупность компьютеров, объединенных с помощью средств связи в единую систему с целью совместного использования информационных ресурсов, технических и программных средств. Из этого определения ясны преимущества сети по сравнению с применением компьютеров, не связанных друг с другом.

Во-первых, на любом предприятии постоянно обновляются данные, требуемые многим службам. Если, например, плановый или финансовый отдел обновит в своих файлах таблицы, отображающие текущую финансовую ситуацию, а на компьютерах других отделов эти таблицы останутся в прежнем виде, то противоречивость данных может привести к противоречивости принимаемых решений. Чтобы избежать таких коллизий, основные данные предприятия хранят в базах данных, доступных через сетевые коммуникации многим сотрудникам. Таким образом, сотрудники, работая на своих ПК, получают доступ к общим информационным ресурсам предприятия, для хранения которых чаще всего выделяется специальный мощный компьютер, называемый файл-сервером. Если же принять во внимание тот факт, что сетевые коммуникации обычно не замыкаются в пределах предприятия, а через телефонные или волоконно-оптические линии связи соединяются с глобальными сетями, то реальностью наших дней стало коллективное использование обширных информационных ресурсов всем человечеством.

Во-вторых, через сеть многие сотрудники предприятия получают доступ к дорогостоящим техническим устройствам, таким как высокопроизводительный лазерный принтер формата A3 или струйный плоттер формата A0. Такие устройства обычно приобретают в единичных экземплярах и подсоединяют к одному из компьютеров в сети. Если такой компьютер специально предназначается для печати документов, то его называют сервером печати (Print Server). Иногда в сети специально выделяют компьютер, присоединенный к телефонному каналу и укомплектованный модемом или факс-модемом (назначение модема далее поясняется). Такой компьютер называют почтовым сервером или факс-сервером (serve – обслуживать).