Представление информации в ЭВМ Информатика. Ее основные

Представление информации в ЭВМ Информатика. Ее основные задачи

Информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации, информационных процессов, разработкой на этой основе информационной техники и технологии, а также решением научных и инженерных проблем создания, внедрения и эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной практики.

Информатика Теоретическая Основу современной информатика информатики образуют три составные части, Средства каждая из которых информатизации рассматривается как самостоятельная Информационные дисциплина системы и технологии

Теоретическая информатика – часть информатики, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации и информационных процессов, разработкой общих принципов построения информационной техники и технологии. Средства информатизации (технические и программные) – раздел, занимающийся изучением общих принципов построения вычислительных устройств и систем обработки и передачи данных, а также вопросов, связанных с разработкой систем программного обеспечения. Информационные системы и технологии – раздел информатики, связанный с решением вопросов анализа потоков информации, их оптимизации, структурирования в различных сложных системах, с разработкой принципов реализации в данных системах информационных процессов.

Понятие информации. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации • Понятие «информация» обычно предполагает наличие двух объектов – «источника» информации и «приемника» (потребителя, адресата) информации. • Информация передается от источника к приемнику в материально- энергетической форме в виде сигналов (например, электрических, световых, звуковых и т. д. ), распространяющихся в определенной среде. • Сигнал (от лат. signum – знак) – физический процесс (явление), несущий сообщение (информацию) о событии или состоянии объекта наблюдения.

Информация имеет определенные функции. Основными из них являются: • познавательная – получение новой информации. Функция реализуется в основном через такие этапы обращения информации, как: – ее синтез (производство) – представление – хранение (передача во времени) – восприятие (потребление) • коммуникативная – функция общения людей, реализуемая через такие этапы обращения информации, как: – передача (в пространстве) – распределение • управленческая – формирование целесообразного поведения управляемой системы, получающей информацию.

Последовательность действий, выполняемых с информацией, называют информационным процессом. Основными информационными процессами являются: – сбор (восприятие) информации; – подготовка (преобразование) информации; – передача информации; – обработка (преобразование) информации; – хранение информации; – отображение (воспроизведение) информации. Так как материальным носителем информации является сигнал, то реально это будут этапы обращения и преобразования сигналов

На этапе восприятия информации осуществляется целенаправленное извлечение и анализ информации о каком-либо объекте (процессе), в результате чего формируется образ объекта, проводятся его опознание и оценка. Главная задача на этом этапе – отделить полезную информацию от мешающей (шумов), что в ряде случаев связано со значительными трудностями. На этапе подготовки информации осуществляется ее первичное преобразование. На этом этапе проводятся такие операции, как нормализация, аналого-цифровое преобразование, шифрование. Иногда этап подготовки рассматривается как вспомогательный на этапе восприятия. В результате восприятия и подготовки получается сигнал в форме, удобной для передачи, хранения или обработки.

На этапе передачи информация пересылается из одного места в другое (от отправителя получателю – адресату). Передача осуществляется по каналам различной физической природы, самыми распространенными из которых являются электрические, электромагнитные и оптические. Извлечение сигнала на выходе канала, подверженного действию шумов, носит характер вторичного восприятия. На этапах обработки информации выявляются ее общие и существенные взаимозависимости, представляющие интерес для системы. Преобразование информации на этапе обработки (как и на других этапах) осуществляется либо средствами информационной техники, либо человеком.

Под обработкой информации понимается любое ее преобразование, проводимое по законам логики, математики, а также неформальным правилам, интуиции, обобщенном опыте, сложившихся взглядах и нормах поведения. Результатом обработки является тоже информация, но либо представленная в иных формах (например, упорядоченная по каким-то признакам), либо содержащая ответы на поставленные вопросы (например, решение некоторой задачи). На этапе хранения информацию записывают в запоминающее устройство для последующего использования. Для хранения информации используются в основном полупроводниковые и магнитные носители.

Этап отображения информации должен предшествовать этапам, связанным с участием человека. Цель этого этапа – предоставить человеку нужную ему информацию с помощью устройств, способных воздействовать на его органы чувств.

Свойства информации: 1) актуальность; 2) полнота; 3) адекватность; 4) сохранность; 5) достоверность.

Единицы измерения данных • Бит – это количество информации, которую можно записать (закодировать) с помощью одной двоичной цифры. • Наименьшей единицей измерения информации является байт, равный восьми битам. • 1 байт = 8 бит • 1 Кбайт = 1024 байт • 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт • 1 Гбайт = 1024 Мбайт = 230 байт • 1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт •

Аппаратные и программные средства реализации информационных процессов • В соответствии с элементной базой и уровнем развития программных средств выделяют четыре реальных поколения ЭВМ.

Первое поколение ЭВМ • ЭВМ первого поколения обладали небольшим быстродействием в несколько десятков тысяч операций в секунду. В качестве внутренней памяти применялись ферритовые сердечники. • Основной недостаток этих ЭВМ – рассогласование быстродействия внутренней памяти и АЛУ и УУ за счет различной элементной базы. Общее быстродействие определялось более медленным компонентом – внутренней памятью

• К числу передовых ЭВМ первого поколения можно отнести: • ENIAC - первый широкомасштабный электронный цифровой компьютер, созданный в 1946 году по заказу армии США в лаборатории баллистических исследований для расчётов таблиц стрельбы. В эксплуатацию введен 14 февраля 1946 года; • EDVAC — одна из первых электронных вычислительных машин, разработанная в лаборатории баллистических исследований армии США, представленная публике в 1949 году; • EDSAC — электронная вычислительная машина, созданная в 1949 году в Кембриджском Университете (Великобритания) группой во главе с Морисом • МЭСМ - Малая Электронная Счетная Машина – первая отечественная ЭВМ, созданная в 1950 году С. А. Лебедевым; • БЭСМ - Большая Электронная Счетная Машина, разработанная Институтом Точной Механики и Вычислительной Техники Академии наук СССР.

Второе поколение ЭВМ Основой ЭВМ второго поколения стало использование новой элементной базы - полупроводниковых транзисторов (триодов), составляющих основную часть конструкции ЭВМ.

Получает дальнейшее развитие принцип автономии – он реализуется уже на уровне отдельных устройств, что выражается в их модульной структуре. Устройства ввода-вывода снабжаются собственными УУ (называемыми контроллерами), что позволило освободить центральное УУ от управления операциями ввода-вывода. Начинается разработка на базе библиотек стандартных программ интегрированных систем, обладающих свойством переносимости, т. е. функционирования на ЭВМ разных марок. Совершенствуется технология выполнения программ на ЭВМ: создаются специальные программные средства – системное ПО. Цель создания системного ПО – ускорение и упрощение перехода процессором от одной задачи к другой

Третье поколение ЭВМ • Новый прорыв в производительности, надежности и миниатюризации позволила сделать технология интегральных схем, ознаменовавшая собой переход на третье поколение ЭВМ, создаваемых с 1964 по 1974 г. г.

Расширение функциональных возможностей ЭВМ увеличило сферу их применения, что вызвало рост объема обрабатываемой информации и поставило задачу хранения данных в специальных базах данных и их ведения. Так появились первые системы управления базами данных – СУБД. Изменились формы использования ЭВМ: введение удаленных терминалов (дисплеев) позволило широко и эффективно внедрить режим разделения времени и за счет этого приблизить ЭВМ к пользователю и расширить круг решаемых задач. Обеспечить режим разделения времени позволил новый вид операционных систем, поддерживающих мультипрограммирование. Мультипрограммирование – это способ организации вычислительного процесса, при котором на одном процессоре попеременно выполняются несколько программ.

Четвертое поколение ЭВМ • С 1980 года начался современный, четвертый этап, для которого характерны переход к большим интегральным схемам, создание серий недорогих микро ЭВМ, разработка супер. ЭВМ для высокопроизводительных вычислений. • Наиболее значительным стало появление персональных ЭВМ, что позволило приблизить ЭВМ к своему конечному пользователю.

Устройство ПК • Компьютер – это многофункциональное электронное автоматическое устройство для накопления, обработки и передачи информации.

Основу современных компьютеров образует аппаратура (Hard. Ware) – совокупность электронных и электромеханических элементов и устройств, а принцип компьютерной обработки информации состоит в выполнении программы (Software) – формализованном описании алгоритма обработки в виде последовательности команд, управляющих процессом обработки. Команда – двоичный код, который определяет действие вычислительной системы по выполнению какой-либо операции. Операция – комплекс технологических действий, совершаемых над информацией по одной из команд программы.

Конструктивно современный персональный компьютер состоит из четырех основных компонентов, которые образуют его базовую конфигурацию: • системного блока, в котором размещаются устройства обработки и хранения информации; • дисплея – устройства отображения информации; • клавиатуры – основного устройства ввода информации в ПК; • мышь манипулятора – для упрощения взаимодействия пользователя с ПК.

В системном блоке размещаются основные элементы компьютера, необходимые для выполнения программ: • микропроцессор (МП), или центральный процессор (CPU, от англ. Central Processing Unit) – основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера; • память (внутренняя – системная, включающая ОЗУ и ПЗУ, и внешняя – дисковая): – ПЗУ, постоянное запоминающее устройство или постоянная память (от англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения), служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации. – ОЗУ, оперативное запоминающее устройство, или оперативная память (от англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом), предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. – Дисковая память относится к внешним устройствам ПК и используется для долговременного хранения любой информации, которая может когда-либо потребоваться для решения задач.

• контроллеры (адаптеры) служат для подключения периферийных (внешних по отношению к процессору) устройств к шинам микропроцессора, обеспечивая совместимость их интерфейсов. Они осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. Контроллеры реализуются, как правило, на отдельных печатных платах, часто называемых адаптерами устройств (от лат. adapto – преобразовываю); • системная плата – основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная плата • Системная плата обеспечивает три направления передачи информации: между микропроцессором и внутренней (основной) памятью, между микропроцессором и портами ввода-вывода внешних устройств, между внутренней (основной) памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (в режиме прямого доступа к памяти).

Интерфейсы • Компьютер состоит из множества отдельных устройств. Для взаимодействия между компонентами их необходимо связать физическими линиями (проводниками), которые обычно называют шинами. Сочетание шины и правил передачи сигналов по ней образует интерфейс. Это совокупность средств сопряжения и связи устройств компьютера, обеспечивающая их эффективное взаимодействие. • К широко распространенным локальным интерфейсам относятся ISA, PCI, AGP, IDE (ATA), COM, LPT, USB, IEEE 1394 (Fire Wire), SCSI, Serial ATA, PS/2, Game-port, MIDI, Ethernet, Ir. DA, Bluetooth и другие.

Микропроцессоры • Конструктивно современный микропроцессор представляет собой сверхбольшую интегральную схему, реализованную на одном полупроводниковом кристалле – тонкой пластинке кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров. На ней размещены схемы, реализующие все функции процессора.

Основными параметрами процессоров являются: рабочее напряжение, разрядность, рабочая тактовая частота, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты и размер кэш-памяти. Рабочее напряжение процессора обеспечивает материнская плата. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояния между структурными элементами в кристалле процессора до десятитысячных долей миллиметра, не опасаясь электрического пробоя. Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение в процессоре, а это позволяет увеличивать его производительность без угрозы перегрева. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Современные процессоры семейства Intel Pentium остаются 32 -разрядными, хотя и работают с 64 -разрядной шиной данных (разрядность процессора определяется разрядностью внутренних регистров).

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например, с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают буферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память» .

Комплект системной логики • Потенциальные возможности и эффективность компьютера во многом определяются установленным на материнской плате набором микросхем системной логики, называемым чипсетом (Chip. Set). Он обеспечивает работу процессора, системной шины (соединяет процессор и контроллер оперативной памяти), интерфейсов взаимодействия с оперативной памятью и другими компонентами компьютера. Его основная задача – поддержка множества несовместимых на прямую интерфейсов.

Запоминающие устройства ПК • В компьютерах хранения информации выделяют следующие основные типы памяти: внутренняя память, кэш-память и внешняя память. • Внутренняя память предназначена для оперативного хранения и обмена данными, непосредственно участвующими в процессе обработки. Конструктивно она исполняется в виде интегральных схем (ИС) и подразделяется на два вида: • • постоянное запоминающее устройство (ПЗУ); • • оперативное запоминающее устройство (ОЗУ).

Кэш-память служит для хранения копий информации, используемой в текущих операциях обмена. Это очень быстрое ЗУ небольшого объема, являющееся буфером между устройствами с различным быстродействием. Обычно используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью. Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды, вероятнее всего, понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. Внешняя память используется для долговременного хранения больших объемов информации. В современных компьютерных системах в качестве устройств внешней памяти наиболее часто применяются: • накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) • накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) • накопители на оптических дисках • магнитооптические носители информации • ленточные накопители (стримеры).