Лекция: Признак деления - проблемы, стоящие на пути информатизации общества
1-й этап (до конца 60-х гг.) характеризуется проблемой обработки больших объемов данных в условиях ограниченных возможностей аппаратных средств.
2-й этап (до конца 70-х гг.) связывается с распространением ЭВМ серии IBM/360, Проблема этого этапа — отставание программного обеспечения от уровня развития аппаратных средств.
3-й — этап (с начала 80-х гг.) — компьютер становится инструментом непрофессионального пользователя, а информационные системы — средством поддержки принятия его решений. Проблемы — максимальное удовлетворение потребностей пользователя и создание соответствующего интерфейса работы в компьютерной среде.
4-й этап (с начала 90-х гг.) — создание современной технологии меж организационных связей и информационных систем. Проблемы этого этапа весьма многочисленны. Наиболее существенными из них являются:
· выработка соглашений и установление стандартов, протоколов для компьютерной связи;
· организация доступа к стратегической информации;
· организация защиты и безопасности информации.
8) Структуру информационной системы составляет совокупность отдельных ее частей, называемых подсистемами.
Подсистема — это часть системы, выделенная по какому-либо признаку.
Общую структуру информационной системы можно рассматривать как совокупность подсистем независимо от сферы применения. В этом случае говорят о структурном признаке классификации, а подсистемы называют обеспечивающими. Таким образом, структура любой информационной системы может быть представлена совокупностью обеспечивающих подсистем
9)Система счисле́ния — символический метод записи чисел, представление чисел с помощью письменных знаков.
10)
Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (-N) необходимо:
1) получить внутреннее представление положительного числа N;
2) получить обратный код этого числа заменой 0 на 1 и 1на 0;
3) к полученному числу прибавить 1.
11)Особенности выполнения операций над числами с плавающей запятой
Следует кратко остановиться на выполнении операции над числами с плавающей запятой (точкой). При сложении (вычитании) чисел с одинаковыми порядками их мантиссы складываются (вычитаются), а результату присваивается порядок, общий для исходных чисел. Если порядки исходных чисел разные, то сначала эти порядки выравниваются (число с меньшим порядком приводится к числу с большим порядком), затем выполняется операция сложения (вычитания) порядков. Если при выполнении операции сложения мантисс возникает переполнение, то сумма мантисс сдвигается вправо на один разряд, а порядок суммы увеличивается на 1.
При умножении чисел с плавающей запятой их мантиссы перемножаются, а порядки складываются.
При делении числа с плавающей запятой мантисса делимого делится на мантиссу делителя, а для получения порядка частного из порядка делимого вычитается порядок делителя. При этом если мантисса делимого больше мантиссы делителя, то мантисса частного окажется больше 1 (происходит переполнение) и ее следует сдвинуть на один разряд вправо, одновременно увеличив на единицу порядок частного.
12) Как и любая другая информация в ЭВМ, графические изображения хранятся, обрабатываются и передаются по линиям связи в закодированном виде — т.е. в виде большого числа бит- нулей и единиц. Существует большое число разнообразных программ, работающих с графическими изображениями. В них используются самые разные графические форматы- т.е. способы кодирования графической информации. Расширения имен файлов, содержащих изображение, указывают на то, какой формат в нем использован, а значит какими программами его можно просмотреть, изменить (отредактировать), распечатать.
Модель RGB (red-green-blue, красный-зеленый-синий)
Различные цвета получаются смешиванием этих 3-х основных цветов.
Метод кодирования цвета CMY (от английского названия цветов — Сyan (бирюзовый), Magenta (малиновый), Yellow (желтый)) применяется при организации работы на печатающих устройствах.
На практике к базовому набору из трех красок для качественной и более экономичной печати добавляется черный цвет. Такая кодировка называетсяCMYK-кодировкой (от слова blacK взяли последнюю букву, чтобы не путать с сокращением Blue).
Во многих графических редакторах используется более удобная для человека перцепционная (ориентированная на восприятие) схема кодированимя: цветовой фон / насыщенность / яркость. Такая кодировка называется HSB по первым буквам английских слов Hue, Saturation, Brightness. (На рисунке показано окно HSB-конструирования цвета из редактора Paint)
Оттенок — это цвет на радуге.
Контрастность (насыщенность) — это содержание в цвете серой примеси. Цвет максимальной насыщенности не содержит серого вообще, а при нулевой насыщенности — все цвета серые.
Яркость — это интенсивность, с которой излучается цвет. При максимальной яркости все цвета превращаются в белый цвет, а при нулевой — в черный.
13) Существует три основных типа структур данных: линейная(список), иерархическая(древо) и табличная.
Табличные структуры (таблицы данных, матрицы данных)
С таблицами данных мы тоже хорошо знакомы, достаточно вспомнить всем известную таблицу умножения. Табличные структуры отличаются от списочных тем, что элементы данных определяются адресом ячейки, который состоит не из одного параметра, как в списках, а из нескольких.
14)
Ее название происходит от названия метода, применяемого для организации файлов ≈ таблица размещения файлов (File Allocation Table, FAT). Эта таблица размещается в начале тома. В целях защиты тома на нем хранятся две копии FAT. В случае повреждения первой копии FAT дисковые утилиты (например, Scandisk) могут воспользоваться второй копией для восстановления тома. Таблица размещения файлов и корневой каталог должны располагаться по строго фиксированным адресам, чтобы файлы, необходимые для запуска системы, были размещены корректно.
По принципу построения FAT похожа на оглавление книги, т. к. операционная система использует ее для поиска файла и определения кластеров, которые этот файл занимает на жестком диске.
FAT — плюсы:
· Для эффективной работы требуется немного оперативной памяти.
· Быстрая работа с малыми и средними каталогами.
· Диск совершает в среднем меньшее количество движений головок (в сравнении с NTFS).
· Эффективная работа на медленных дисках.
FAT — минусы:
· Катастрофическая потеря быстродействия с увеличением фрагментации, особенно для больших дисков (только FAT32).
· Сложности с произвольным доступом к большим (скажем, 10% и более от размера диска) файлам.
· Очень медленная работа с каталогами, содержащими большое количество файлов.
Современная файловая система NTFS, разработанная компанией Microsoft для своей операционной системы Microsoft Windows NT, лишена ограничений и недостатков FAT. С момента своего возникновения развивающаяся файловая система NTFS претерпела несколько усовершенствований, последние из которых были сделаны в ОС Microsoft Windows XP.
В файловой системе NTFS все атрибуты файлов (имя, размер, расположение экстентов файла на диске и т.д.) хранятся в скрытом системном файле $MFT. На хранение информации о каждом файле (и каталоге) в $MFT отводится от одного до нескольких Кбайт. При большом количестве файлов, хранящихся на диске, объем файла $MFT может достигать десятков или даже сотен Мбайт.
Файлы небольшого размера (порядка сотен байт) хранятся непосредственно в $MFT, что существенно ускоряет доступ к ним.
Заметим, однако, что накладные расходы NTFS на хранение системной информации, хотя и превышают накладные расходы FAT, все же не очень велики по сравнению с объемом современных дисков. Из-за того, что файл $MFT обычно располагается ближе к середине диска, разрушение первых дорожек диска NTFS не приводит к таким фатальным последствиям, как разрушение начальных областей диска FAT.
Файловая система NTFS обладает многочисленными возможностями, отсутствующими в FAT. Они позволяют добиться намного большей гибкости, надежности и защищенности по сравнению с FAT.
NTFS — плюсы:
· Фрагментация файлов не имеет практически никаких последствий для самой файловой системы — работа фрагментированной системы ухудшается только с точки зрения доступа к самим данным файлов.
· Сложность структуры каталогов и число файлов в одном каталоге также не чинит особых препятствий быстродействию.
· Быстрый доступ к произвольному фрагменту файла (например, редактирование больших .wav файлов).
· Очень быстрый доступ к маленьким файлам (несколько сотен байт) — весь файл находится в том же месте, где и системные данные (запись MFT).
NTFS — минусы:
· Существенные требования к памяти системы (64 Мбайт — абсолютный минимум, лучше — больше).
· Медленные диски и контроллеры без Bus Mastering сильно снижают быстродействие NTFS.
· Работа с каталогами средних размеров затруднена тем, что они почти всегда фрагментированы.
· Диск, долго работающий в заполненном на 80% — 90% состоянии, будет показывать крайне низкое быстродействие.
15) Символы в компьютере кодируются одним или несколькими байтами. В случае, когда символы кодируются одним байтом, такой кодировкой можно закодировать только 256 символов, соответственно в такой кодировке невозможно уместить все символы большого количества языков мира, тем более что часть символов нужно использовать как управляющие (табуляция, перевод строки и т.п.) В настоящее время широко распространены кодировки, совместимые с ASC II в которой присутствуют 95 печатных символов и 33 управляющих а остальные 128 позиций используются для различных символов не входящих в ASC II. Эти позиции занимают дополнительные символы, включая набор национальных символов. Существует такой термин «Кодовая страница». Кодовая страница – это таблица, которая сопоставляет каждому значению байта какой-то символ.
Стандартный набор символов ASCII состоит из 128 десятичных чисел в пределах от 0 до 127, назначенных буквам, цифрам, знакам препинания и самым употребляемым специальным символам. Расширенный набор символов ASCII дополнительно содержит 128 десятичных чисел в пределах от 128 до 255, представляющих дополнительные специальные, математические, графические и иностранные символы.
ЗНАКОМЕСТО (font reticle) Прямоугольный участок поверхности экрана в дисплея или бумаги, в котором размещается один выводимый знак. См. текстовый режим
ЗНАКОГЕНЕРАТОР (character generator). Составная часть адаптера дисплея, преобразующая коды символов в их графическое изображение на экране дисплея. 3. используется в текстовом режиме работы адаптера дисплея. В 3. имеется таблица кодов и соответствующих им изображений символов, занимающих одно знакоместо на экране.
16) Логическая функция — это функция логических переменных, которая может принимать только два значения: 0 или 1.
Логический элемент — это устройство, реализующее ту или иную логическую функцию. Y = f(X1,X2,X3,...,Xn) — логическая функция, может быть задана таблицей, которая называется таблицей истинности.
Логические функции двух переменных
Логическое ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция): Y= X1 + X2 = X1VX2
Логическое И (логическое умножение, конъюнкция, схема совпадений): Y = X1X2 = X1&X2
Логический элемент ИЛИ-НЕ
Функция (И-НЕ): Y = X1|X2 = NOT(X1X2)
20) По организации вычислительного процесса цифровые ЭВМ подразделяются на однопрограммные и мультипрограммные. В одно-программных машинах в каждый момент времени выполняется только одна программа, в мультипрограммных может одновременно решаться несколько задач.
Принципы Дж.фон Неймана показались вначале простыми и очевидными и лишь в дальнейшем они приобрели статус фундаментальных положений, надолго определивших направление развития вычислительной техники. В результате реализации идей фон Неймана была создана архитектура ЭВМ, во многих чертах сохранившаяся до настоящего времени.
В отчете «Предварительное обсуждение логического конструирования электронного вычислительного устройства» Дж. фон Нейман опубликовал основные принципы, которые заключались в следующем:
1. Компьютеры на электронных элементах должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
2. Компьютер управляется программой, составленной из отдельных шагов — команд. Программа должна размещаться в одном из блоков компьютера — в запоминающем устройстве, обладающем достаточной емкостью и скоростью выборки команд.
3. Команды, так же как и числа, с которыми оперирует компьютер, записываются в двоичном коде. Это обстоятельство приводит к следующим важным последствиям:
а) промежуточные результаты вычислений, константы и другие числа могут размещаться в том же запоминающем устройстве, что и программа;
б) числовая форма записи программы позволяет производить операции над величинами, которыми закодированы команды программы;
в) появляется возможность перехода в процессе вычислений на тот или иной участок программы в зависимости от результатов вычислений, условных переходов.
4. Трудности физической реализации запоминающего устройства, быстродействие которого соответствует скорости работы логических схем требует иерархической организации памяти.
5. Арифметическое устройство конструируется на основе схем, выполняющих операцию сложения — создание специальных устройств для выполнения других операций нецелесообразно.
6. Необходимо использовать параллельный принцип организации вычислительного процесса (операции над словами производятся одновременно во всех разрядах слова)
Принцип использования двоичной системы счисления расширил набор физических приборов и явлений, которые можно использовать для представления информации в операционных и запоминающих устройствах компьютера. Две цифры для отображения «1» и «0» могут отображаться состоянием любой двухстабильной системы. Например, открытое и закрытое состояние электронного ключа (ламповой схемы), два состояния триггера, намагниченным или не намагниченным состоянием ферромагнитной поверхности. Ну, а в настоящее время набор электронных приборов и физических явлений, позволяющих получить два состояния для записи и обработки информации стал намного шире, но об этом поговорим позже. В двоичной системе счисления возможно построение логических схем и реализация функций алгебры логики или Булевой алгебры.
Принцип хранимой в памяти программы, представленной в двоичном коде, позволяет производить не только вычисления, направляя команду в устройство управления, а данные в арифметическое устройство, но и преобразовывать сами команды, например в зависимости от результатов вычислений, используя для преобразования коды команд и оперируя с ними, как с данными.
Принцип реализации условных переходов позволяет осуществлять программы с циклическими вычислениями с автоматическим выходом из цикла. Благодаря принципу условного перехода сокращается число команд, в программе, так как не требуется повторять одинаковые участки программы.
Принцип иерархической организации памяти был сформулирован в связи с тем, что с самого первого компьютера с сохраняемой программой существовало несоответствие между быстродействием арифметического устройства и оперативной памяти. Противоречия бы не существовало, если выполнить память на тех же элементах, что и арифметическое устройство, но такая память получалась слишком дорогой, кроме того, непомерно увеличивалось количество радиоламп, что заметно снижало надежность компьютера. Иерархическое построение оперативного запоминающего устройства позволяет иметь быстродействующую память небольшого объема только для данных и команд, подготовленных к выполнению. Все остальное хранится в запоминающем устройстве более низкого уровня, для этого стали использоваться появившиеся вскоре магнитные носители информации.
Параллельный принцип организации вычислений позволяет значительно увеличить скорость вычислений, хотя это и приводит к более значительным затратам оборудования.
Закончив знакомство с разделом, составьте конспект. В конспекте постарайтесь отметить самое важное из того, что характеризует принципы фон — Неймана.
21)Структура ЭВМ: Процессор (АЛУ, устройство управления, процессорная память), Оперативная память, Каналы связи, Внешние устройства( внешняя память, устройство ввода-вывода).
Процессор- основной вычислительный блок компьютера, содержит важнейшие функциональные устройства: устройство управления, АЛУ, процессорную память.
Оперативная память- запоминающее устройство, используемой для оперативного хранения и обмена информацией с другими узлами машины.
Каналы связи- служат для сопряжения центральных узлов машины с её внешними устройствами.
Внешние устройства обеспечивают эффективное взаимодействие компьютера с окружающей средой(пользователя, другими машинами, объектами управления).
Интерфейс — (информатика) программа, которая управляет дисплеем для пользователя (обычно на мониторе компьютера), что позволяет пользователю взаимодействовать с системой
Порт — интерфейс на компьютере, к которому можно подключитьустройство. Персональные компьютеры имеют различные типы портов.Внутри есть несколько портов для подключения дисков, экранов иклавиатур. Внешне, персональные компьютеры имеют порты для подключения модемов, принтеров, мышей и других периферийных устройств .
Все контроллеры или адаптеры взаимодействуют с микропроцессором и оперативной памятью через системную магистраль передачи данных, которую называют шиной. Системная шина является каналом соединения микропроцессора, оперативной памяти и интегральных устройств. Физически шина находится на материнской плате.
22)
Система прерываний.Прерывание — приостановление работы одной программы и передача управления другой при возникновении некоторого независящего от них события. При этом сохраняется возможность возврата управления прерванной программе, без потери ею работоспосодности.
Прерывания подразделяются на аппаратные (маскируемые и немаскируемые), вызываемые электрическими сигналами на входах процессора, и программные, выполняемые по команде INT xx. Программные прерывания, строго говоря, прерываниями не являются — это лишь своеобразный способ вызова процедур, но процессором они обрабатываются как разновидность прерываний.
Обработка прерываний и исключений в защищенном режиме базируется на таблице дескрипторов прерываний (шлюзов прерываний) IDT – адрес начала и размер которой хранятся в регистре IDTR. Его формат аналогичен формату регистра GDTR Таблица прерываний может содержать до 256 дескрипторов. При попытке обслуживания прерывания с номером, выходящим за размер таблицы, генерируется исключение #DF. Под исключения отданы первые 32 номера
24) Процессор содержит двенадцать 16-разрядных программно-адресуемых регистров, которые принято объединять в три группы: регистры данных, регистры-указатели и сегментные регистры. Кроме того, в состав процессора входят счетчик команд и регистр флагов (рис. 3.1).
Рис. 3.1.Регистры процессора
В группу регистров данных включаются регистры AX, BX, CX и DX. Программист может использовать их по своему усмотрению для временного хранения любых объектов (данных или адресов) и выполнения над ними требуемых операций. При этом регистры допускают независимое обращение к старшим (AH, BH, CH и DH) и младшим (AL, BL, CL и DL) половинам. Так команда
пересылает старший байт регистра AX в младший байт регистра BX, не затрагивая при этом вторых байтов этих регистров. Еще раз отметим, что сначала указывается операнд-приемник, а после запятой — операнд-источник, т.е. команда выполняется как бы справа налево. Во многих случаях регистры общего назначения вполне эквивалентны, однако предпочтительнее в первую очередь использовать AX, поскольку многие команды занимают в памяти меньше места и выполняются быстрее, если их операндом является регистр AX (или его половины AH или AL).
Индексные регистры SI и DI так же, как и регистры данных, могут использоваться произвольным образом. Однако их основное назначение — хранить индексы (смещения) относительно некоторой базы (т.е. начала массива) при выборке операндов из памяти. Адрес базы при этом обычно находится в одном из базовых регистров (BX или BP). Примеры такого рода будут приведены ниже.
Регистр BP служит указателем базы при работе с данными в стековых структурах, о чем будет речь впереди, но может использоваться и произвольным образом в большинстве арифметических и логических операций или просто для временного хранения каких-либо данных.
Последний из регистров-указателей, указатель стека SP, стоит особняком от других в том отношении, что используеся исключительно как указатель вершины стека — специальной структуры, которая будет рассмотрена позже.
Регистры SI, DI, BP и SP, в отличие от регистров данных, не допускают побайтовую адресацию.
Четыре сегментных регистра CS, DS, ES и SS хранят начальные адреса сегментов программы и, тем самым, обеспечивают возможность обращения к этим сегментам.
Регистр CS обеспечивает адресацию к сегменту, в котором находится код команд программы, регистры DS и ES — к сегментам данных (таким образом, в любой точке программа может иметь доступ к двум сегментам данных, основному и дополнительному), а регистр SS — к сегменту стека. Сегментные регистры, естественно, не могут выступать в качестве регистров общего назначения.
Указатель команд IP «следит» за ходом выполнения программы, указывая в каждый момент относительный адрес команды, следующей за исполняемой. Регистр IP программно недоступен (IP — это просто его сокращенное название, а не мнемоническое обозначение, используемое в языке программирования); наращивание адреса в нем выполняет микропроцессор, учитывая при этом длину текущей команды.
Регистр флагов, эквивалентный регистру состояния процессора других вычислительных систем, содержит информацию о текущем состоянии процессора (рис. 3.2). Он включает 6 флагов состояния и 3 бита управления состоянием процессора, которые, впрочем, тоже обычно называются флагами.
Рис. 3.2.Регистр флагов
Флаг переноса CF (Carry Flag) индицирует перенос или заем при выполнении арифметических операций, а также служит индикатором ошибки при обращении к системным функциям.
Флаг паритета PF (Parity Flag) устанавливается в 1, если младшие 8 бит результата операции содержат четное число двоичных единиц.
Флаг вспомогательного переноса AF (Auxiliary Flag) используется в операциях над упакованными двоично-десятичными числами. Он индицирует перенос или заем из старшей тетрады (бита 4).
Флаг нуля ZF (Zero Flag) устанавливается в 1, если результат операции равен нулю.
Флаг знака SF (Sign Flag) показывает знак результата операции, устанавливаясь в 1 при отрицательном результате.
Флаг переполнения OF (Overflow Flag) фиксирует переполнение, т.е. выход результата операции за пределы допустимого для данного процессора диапазона значений.
Флаги состояния автоматически устанавливаются процессором после выполнения каждой команды. Так, если в регистре AX содержится число 1, то после выполнения команды декремента (уменьшения на 1)
содержимое AX станет равно 0, и процессор сразу отметит этот факт, установив в регистре флагов бит ZF (флаг нуля). Если попытаться сложить два больших числа, например, 58000 и 61000, то установится флаг переноса CF, так как число 119000, получающееся в результате сложения, должно занять больше двоичных разрядов, чем помещается в регистрах или ячейках памяти, и возникает «перенос» старшего бита этого числа в бит CF регистра флагов.
Индицирующие флаги процессора дают возможность проанализировать, если это нужно, результат последней операции и осуществить «разветвление» программы: например, в случае нулевого результата перейти на выполнение одного фрагмента программы, а в случае ненулевого — на выполнение другого фрагмента. Такие разветвления осуществляются с помощью команд условных переходов, которые в процессе своего выполнения анализируют состояние регистра флагов. Так, команда
осуществляет переход на метку zero, если результат выполнения предыдущей команды окажется равен нулю (т.е. флаг ZF установлен), а команда
выполнит переход на метку okey, если предыдущая команда сбросила флаг переноса CF (или оставила его в сброшенном состоянии).
Управляющий флаг трассировки TF (Trace Flag) используется в отладчиках для осуществления пошагового выполнения программы. Если TF = 1, то после выполнения каждой команды процессор реализует процедуру прерывания 1 (через вектор прерывания с номером 1).
Управляющий флаг разрешения прерываний IF (Interrupt Flag) разрешает (если равен 1) или запрещает (если равен 0) процессору реагировать на прерывания от внешних устройств.
Управляющий флаг направления DF (Direction Flag) используется особой группой команд, предназначенных для обработки строк. Если DF = 0, строка обрабатывается в прямом направлении, от меньших адресов к большим; если DF = 1, обработка строки идет в обратном направлении.
Таким образом, в отличие от битов состояния, управляющие флаги устанавливает или сбрасывает программист, если он хочет изменить настройку системы (например, запретить на какое-то время аппаратные прерывания или изменить направление обработки строк).
25)