Случай на экзамене.
Профессор.
Как работает трансформатор?
Студент.
У-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у…
Мы давно уже привыкли к персональным . Включаем их и работаем, собственно говоря, ни мало не задумываясь над тем, как они устроены и как работают. Все это благодаря тому, что разработчики ПК и программного обеспечения к ним научились создавать надежные продукты, которые не дают нам повода лишний раз задуматься над устройством компьютера или обслуживающих его программ.
Тем не менее, вероятно, читателям блога небезынтересно узнать о принципах работы компьютера и программного обеспечения. Этому и будет посвящена серия статей, которые публикуются в рубрике «Как работает ПК».
Компьютер для автоматизации процессов обработки информации. Он устроен соответствующим образом, чтобы иметь все возможности для успешного выполнения своего предназначения.
Для того чтобы обрабатывать в компьютере информацию, с ней необходимо делать следующие основные операции:
– вводить информацию в компьютер:
Эта операция нужна для того, чтобы компьютеру было что обрабатывать. Без возможности ввода информации в компьютер он становится как бы вещью в себе.
– хранить введенную информацию в компьютере:
Очевидно, что если дать возможность вводить информацию в компьютер, то надо и иметь возможность эту информацию в нем хранить, и затем использовать в процессе обработки.
– обрабатывать введенную информацию:
Здесь надо понимать, что для обработки введенной информации нужны определенные алгоритмы обработки, иначе ни о какой обработке информации речи быть не может. Компьютер должен быть снабжен такими алгоритмами и должен уметь их применять к вводимой информации с тем, чтобы «правильно» преобразовывать ее в выходные данные.
– хранить обработанную информацию ,
Так же как и с хранением введенной информации, в компьютере должны храниться результаты его работы, результаты обработки входных данных с тем, чтобы в дальнейшем ими можно было бы воспользоваться.
– выводить информацию из компьютера :
Эта операция позволяет вывести результаты обработки информации в удобочитаемом для пользователей ПК виде. Понятно, что данная операция дает возможность воспользоваться результатами обработки информации на компьютере, иначе эти результаты обработки так и остались бы внутри компьютера, что сделало бы их получение совершенно бессмысленным.
Самое важное умение компьютера – это обработка информации, так как его прелесть как раз и состоит в том, что он может информацию преобразовывать. Все устройство компьютера обусловлено требованием обработки информации в кратчайшие сроки, наиболее быстрым способом.
Под обработкой информации на компьютере можно понимать любые действия, которые преобразуют информацию из одного состояния в другое. Соответственно, компьютер имеет специальное устройство, называемое , которое предназначено исключительно для чрезвычайно быстрой обработки данных, со скоростями, доходящими до миллиардов операций в секунду.
Процессор
Требуемые для обработки данные процессор получает (берет) из – от устройства, предназначенного для временного хранения как входных, так и выходных данных. Там же в оперативной памяти находится и место для хранения промежуточных данных, формируемых в процессе обработки информации. Таким образом, процессор как получает данные из оперативной памяти, так и записывает обработанные данные в оперативную память.
Оперативная память (ОЗУ)
Наконец, для ввода и вывода данных к компьютеру подключаются , которые позволяют вводить информацию, подлежащую обработке, и выводить результаты этой обработки.
Внешний винчестер, внешнее DVD-устройство, флешка, клавиатура, мышь
Процессор и оперативная память работают с одинаково большой скоростью. Как уже говорилось выше, скорость обработки информации может составлять многие миллионы и миллиарды операций в секунду. Никакое внешнее устройство ввода и вывода информации не может работать на таких скоростях.
Поэтому для их подключения в компьютере предусмотрены специальные контроллеры устройств ввода-вывода . Их задача состоит в том, чтобы согласовать высокие скорости работы процессора и оперативной памяти с относительно низкими скоростями ввода и вывода информации.
Эти контроллеры подразделяются на специализированные, к которым могут быть подключены только специальные устройства, и универсальные. Примером специализированного устройства контроллера служит, например, видеокарта, которая предназначена для подключения к компьютеру монитора.
Можно выделить четыре основных вида информационных процессов : сбор, передача, обработка и накопление.
С накоплением информации связаны следующие понятия:
Носитель информации – это физическая среда, которое непосредственно хранит информацию.
Память человека можно условно назвать оперативной (понятие «оперативный» является синонимом понятию «быстрый»). Человек быстро воспроизводит сохраненные в памяти знания. Внутренней можно назвать память человека, а носителем информации – мозг. Внешними носителями (по отношению к человеку) являются все остальные носители: папирус, дерево, бумага, магнитный диск, флэш-накопитель и т.д.
Хранилище информации – это специальным образом организованная информация на внешних носителях, которая предназначена для длительного хранения и постоянного использования (к примеру, архивы документов, библиотеки, картотеки, базы данных). Единицей хранилища информации является физический документ: анкета, журнал, книга, диск и др. Под организацией хранилища понимается упорядочивание, структурирование, классификация хранимых документов для удобства работы с ними.
Основными свойствами хранилища информации является объем информации, надежность ее хранения, время доступа к ней (т.е. скорость поиска необходимых сведений), защита информации.
Определение 1
На устройствах компьютерной памяти информацию называют данными , а хранилища данных – базами и банками данных .
Т.к. человек может забыть какую-либо информацию, то внешние носители являются надежнее и на них можно дольше хранить необходимую информацию. Именно с помощью внешних носителей люди имеют возможность передавать свои знания из поколения в поколение.
Техническими средствами реализации накопления информации являются носители информации : оперативная память компьютера (ОЗУ), гибкие, оптические и жесткие диски, переносные запоминающие устройства – флэш-накопители и т.п.
Обмен информацией между людьми происходит в процессе ее передачи, которая может происходить при разговоре, с помощью переписки, используя технические средства связи: телефон, радио, телевидение, компьютерная сеть.
При передаче информации всегда существует источник и приемник информации . Источник передает информацию, а приемник ее получает. Смотря телевизор или слушая товарища, вы являетесь приемником информации, рассказывая выученный стих, при написании сочинения – источником информации. Каждый человек неоднократно из источника становится приемником информации и наоборот.
Информация хранится и передается в виде последовательности сигналов, символов. От источника к приёмнику сообщение передается с помощью некоторой материальной среды: при разговоре – с помощью звуковых волн, при переписке – почтовой связи, при телефонном разговоре – системы телефонной связи. В случае передачи сообщения с помощью технических средств связи их называют информационными каналами (каналами передачи информации). Органы чувств человека являются биологическими информационными каналами.
Таким образом, передача информации происходит по следующей схеме:
Рисунок 1.
В процессе передачи информация часто искажается или теряется, т.к. информационные каналы имеют плохое качество или на линии связи действуют помехи (шумы). Примером информационного канала плохого качества может быть плохая телефонная связь.
Передача информации происходит с какой-то скоростью, которая является информационным объемом сообщения, который передается в единицу времени. Поэтому единицы измерения скорости передачи информации бит/с, байт/с и др.
Схема обработки информации :
Рисунок 2.
При обработке информации решается информационная задача , которая изначально может быть представлена в традиционной форме: из некоторого набора исходных данных необходимо получить определенные результаты. Переход от исходных данных к результату является процессом обработки. Объект или субъект, осуществляющий обработку, является исполнителем обработки.
Пример 1
Пусть ученику нужно решить математическую задачу: в прямоугольном треугольнике даны длины двух катетов, нужно найти гипотенузу. Для ее решения ученику кроме исходных данных нужно знать математическое правило – теорему Пифагора. Применяя эту теорему, он получит искомую величину. Новые данные получаются путем вычислений, которые выполняются над исходными данными.
Вычисление является только одним из вариантов обработки информации. В качестве способа обработки информации можно использовать не только математические расчеты, но и логические рассуждения.
Результатом процесса обработки информации не всегда является получение каких-либо новых сведений. Например, при переводе текста с английского языка на русский происходит обработка информации, которая изменяет ее форму, но не содержание.
Для успешной обработки информации исполнитель должен использовать алгоритм обработки, т.е. последовательность действий, которую нужно выполнить для достижения нужного результата.
Существует два вида обработки информации :
Рисунок 3.
Кодирование – преобразование информации в символьную форму, которая удобна для ее накопления, передачи, обработки и сбора. В начале XX столетия телеграфные сообщения кодировались и передавались с помощью азбуки Морзе. Кодирование активно используют при работе с информацией с помощью технических средств (телеграф, радио, компьютеры и т.д.).
Структурирование данных – упорядочивание информации в хранилище, классификация, каталогизация данных.
Ещё один вид обработки информации – поиск в некотором хранилище информации (в основном на внешних носителях: книгах, схемах, таблицах, карточках) нужных данных, которые удовлетворяют определенным условиям поиска (запросу).
Определение 2
Получение информации – сбор сведений из различных источников (из хранилища данных, наблюдение за событиями и явлениями, общение, телевидение, компьютерная сеть и т.д.). Получение информации основано на отражении различных свойств процессов, объектов и явлений окружающей среды. Этот процесс выражается в восприятии с помощью органов чувств. Для улучшения восприятия информации существуют разнообразные индивидуальные устройства и приспособления – очки, бинокль, микроскоп, стетоскоп, различные датчики и т. д.
Обработка информации состоит в получении одних «информационных объектов» из других «информационных объектов» путем выполнения некоторых алгоритмов и является одной из основных операций, осуществляемых над информацией, и главным средством увеличения ее объема и разнообразия.
На самом верхнем уровне можно выделить числовую и нечисловую обработку. В указанные виды обработки вкладывается различная трактовка содержания понятия «данные». При числовой обработке используются такие объекты, как переменные, векторы, матрицы, многомерные массивы, константы и т.д. При нечисловой обработке объектами могут быть файлы, записи, поля, иерархии, сети, отношения и т.д. Другое отличие заключается в том, что при числовой обработке содержание данных не имеет большого значения, в то время как при нечисловой обработке нас интересуют непосредственные сведения об объектах, а не их совокупность в целом.
С точки зрения реализации на основе современных достижений вычислительной техники выделяют следующие виды обработки информации:
последовательная обработка , применяемая в традиционной фоннеймановской архитектуре ЭВМ, располагающей одним процессором;
параллельная обработка , применяемая при наличии нескольких процессоров в ЭВМ;
конвейерная обработка , связанная с использованием в архитектуре ЭВМ одних и тех же ресурсов для решения разных задач, причем если эти задачи тождественны, то это последовательный конвейер, если задачи одинаковые – векторный конвейер.
Принято относить существующие архитектуры ЭВМ с точки зрения обработки информации к одному из следующих классов.
Архитектуры с одиночным потоком команд и данных (SISD) . К этому классу относятся традиционные однопроцессорные системы, где имеется центральный процессор, работающий с парами «атрибут – значение».
Архитектуры с одиночными потоками команд и данных (SIMD) . Особенностью данного класса является наличие одного (центрального) контроллера, управляющего рядом одинаковых процессоров. В зависимости от возможностей контроллера и процессорных элементов, числа процессоров, организации режима поиска и характеристик маршрутных и выравнивающих сетей выделяют:
Матричные процессоры, используемые для решения векторных и матричных задач;
Ассоциативные процессоры, применяемые для решения нечисловых задач и использующие память, в которой можно обращаться непосредственно к информации, хранящейся в ней;
Процессорные ансамбли, применяемые для числовой и нечисловой обработки;
Конвейерные и векторные процессоры.
Архитектуры с множественным потоком команд и одиночным потоком данных (MISD) . К этому классу могут быть отнесены конвейерные процессоры.
Архитектуры с множественным потоком команд и множественным потоком данных (MIMD) . К этому классу могут быть отнесены следующие конфигурации: мультипроцессорные системы, системы с мультобработкой, вычислительные системы из многих машин, вычислительные сети.
Основные процедуры обработки данных представлены на рисунке.
Создание данных , как операция обработки, предусматривает их образование в результате выполнения некоторого алгоритма и дальнейшее использование для преобразований на более высоком уровне.
Модификация данных связана с отображением изменений в реальной предметной области, осуществляемых путем включения новых данных и удаления ненужных.
Обеспечение безопасности и целостности данных направлено на адекватное отображение реального состояния предметной области в информационной модели и обеспечивает защиту информации от несанкционированного доступа (безопасность) и от сбоев и повреждений технических и программных средств.
Поиск информации , хранимой в памяти компьютера, осуществляется как самостоятельное действие при выполнении ответов на различные запросы и как вспомогательная операция при обработке информации.
Рисунок – Основные процедуры обработки данных
Поддержка принятия решений является наиболее важным действием, выполняемым при обработке информации. Широкая альтернатива принимаемых решений приводит к необходимости использования разнообразных математических моделей.
В зависимости от степени информированности о состоянии управляемого объекта, полноты и точности моделей объекта и системы управления, взаимодействия с внешней средой, процесс принятия решений протекает в различных условиях:
1) принятие решений в условиях определенности . В этой задаче модели объекта и системы управления считаются заданными, а влияние внешней среды – несущественным. Поэтому между выбранной стратегией использования ресурсов и конечным результатом существует однозначная связь, откуда следует, что в условиях определенности достаточно использовать решающее правило для оценки полезности вариантов решений, принимая в качестве оптимального то, которое приводит к наибольшему эффекту. Если таких стратегий несколько, то все они считаются эквивалентными. Для поиска решений в условиях определенности используют методы математического программирования;
2) принятие решений в условиях риска . В отличие от предыдущего случая для принятия решений в условиях риска необходимо учитывать влияние внешней среды, которое не поддается точному прогнозу, а известно только вероятностное распределение ее состояний. В этих условиях использование одной и той же стратегии может привести к различным исходам, вероятности появления которых считаются заданными или могут быть определены. Оценку и выбор стратегий проводят с помощью решающего правила, учитывающего вероятность достижения конечного результата;
3) принятие решений в условиях неопределенности . Как и в предыдущей задаче между выбором стратегии и конечным результатом отсутствует однозначная связь. Кроме того, неизвестны также значения вероятностей появления конечных результатов, которые либо не могут быть определены, либо не имеют в контексте содержательного смысла. Каждой паре «стратегия – конечный результат» соответствует некоторая внешняя оценка в виде выигрыша. Наиболее распространенным является использование критерия получения максимального гарантированного выигрыша;
4) принятие решений в условиях многокритериальности . В любой из перечисленных выше задач многокритериальность возникает в случае наличия нескольких самостоятельных, не сводимых одна к другой целей. Наличие большого числа решений усложняет оценку и выбор оптимальной стратегии. Одним из возможных путей решения является использование методов моделирования.
Создание документов, сводок, отчетов заключается в преобразовании информации в формы, пригодные для чтения как человеком, так и компьютером. С этим действием связаны и такие операции, как обработка, считывание, сканирование и сортировка документов.
При обработке информации осуществляется ее перевод из одной формы представления или существования в другую, что определяется потребностями, возникающими в процессе реализации информационных технологий.
Реализация всех действий, выполняемых в процессе обработки информации, осуществляется с помощью разнообразных программных средств.
Способы обработки, в принципе, представляют собой правила и методики работы с материалом при помощи инструментов.
Технология– способ обработки конкретных материалов конкретными инструментами с целью получения конкретного продукта.
Информационная технология – методика целенаправленной обработки информации с помощью ЭВМ.
Любая информационная технология базируется на классических методах анализа и синтеза (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Основные способы обработки
Анализ– представление объекта исследования совокупностью составляющих элементов.
Известны различные методы анализа.
Наиболее эффективным является системный анализ. Он позволяет проводить расчленение (структурирование) объекта исследования по следующим правилам:
выбрать конкретный критерий анализа из возможных;
задать степень детализации объекта (явления);
представить объект (явление) совокупностью составляющих в соответствии с выбранными критерием и степенью детализации.
Системный анализ позволяет проводить многогранное исследование объектов в соответствии с требованиями критериев оценки, то есть заменить исследуемый объект конкретными наборами характеристик.
Анализ даёт возможность представить любую сложную систему совокупностью простых, каждая из которых, в свою очередь, может быть детализирована ещё более простыми. Используя полученную систему в качестве исходной, процесс можно повторять требуемое количество раз. Количество ступеней анализа определяется целесообразностью. Следовательно, анализ, облегчая задачу исследователя, позволяет оперировать в конечном счёте с достаточно элементарными объектами.
Существенным является выбор начального понятия анализируемого объекта (системы). Так, под реальным миром можно понимать вселенную, или планету, или среду обитания (сушу), и т.д. Следовательно, начиная анализ, необходимо чётко сформулировать характеристики исходного объекта.
Соотношение понятий «реальный мир» при разной степени детализации элементов представлено схемой рис. 1.11.
Если в качестве исходного объекта принять планету «Земля», точка отсчёта смещается, и диапазон исследования существенно снижается.
Синтез– объединение некоторой совокупности объектов исследования в единое целое.
Рис. 1.11. Вариант детализации реального мира
Синтез позволяет проводить работы по созданию сложных систем из совокупности простых. При этом, как правило, задаются критерии (цель) синтеза.
Цель синтеза – новые (улучшенные или кардинально изменённые) характеристики создаваемого целого. В универсальном варианте возможен многоуровневый синтез (рис. 1.12). Продукт синтеза – новое (целевое) изделие.
Типичное физическое воплощение идеи синтеза – детский конструктор, позволяющий из стандартного набора деталей (простейших объектов) в соответствии с выбранным критерием
Рис. 1.12. Модель синтеза объектов
(целью) создавать различные изделия (продукты), обладающие разными характеристиками.
Информатика, как и любая другая наука (система, явление), предполагает использование и анализа, и синтеза.
Так, технология получения (сбора) информации, используя метод анализа, детально предписывает действия по работе с техническими средствами измерения параметров (температуры, давления и т.п.), преобразования полученных значений в цифровые и запись в элементы технических средств для хранения.
Технология обработки информации, в свою очередь, базируется на методах синтеза, что позволяет получать обобщённые результаты исходя из известного множества исходных.
В информатике анализ и синтез используют для создания специфического – программного продукта.
Программный продукт– жёстко зафиксированная технология обработки данных.
При этом под технологией понимается совокупность правил и предписаний, обеспечивающих эффективное функционирование технических средств в процессе решения информационных задач.
Технология может быть представлена в виде алгоритма или программы.
Алгоритм оформляет совокупность правил и предписаний в виде, удобном для человека. Программа – ту же совокупность в виде, доступном ЭВМ.
Программный продукт – обобщённое название конечного результата деятельности программиста.
Особенность программного продукта – двойственность принадлежности (назначения). Программный продукт образуется как результат специальной обработки некоторой информации и используется как инструмент для получения новой, т.е. является как материалом, так и средством обработки.
Создание программного продукта – одна из основных задач информационных технологий. На этом этапе программный продукт выступает в роли обрабатываемой информации.
Следовательно, программные продукты, наряду с данными, относятся к информационным ресурсам.
Готовый программный продукт используется как средство обработки информации, для которой он предназначался.
Технологии создания и использования программных продуктов – один из базовых компонентов информатики.
Исходя из изложенного, представим классификацию способов обработки по критерию обрабатываемый материал двухуровневой схемой (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Классификация способов обработки по используемым материалам
Программные продукты имеют широкий диапазон применения. В частности, используются при создании программного обеспечения.
Программное обеспечение– совокупность программных продуктов, определяющих технологию в конкретной области информатики.
Программное обеспечение (ПО) – нематериальные средства обработки информации с использованием материальных (технических) средств.
Английское обозначение ПО – Software (мягкий продукт).
Анализ этой ветви информатики по критерию назначение элементов определяет структуру программного обеспечения многоуровневой схемой (рис. 1.14).
Рис. 1.14. Структура программного обеспечения
Каждый уровень определяется конкретной степенью детализации: верхний – минимальной, нижний – максимальной.
Определим полученные компоненты схемы.
Системное программное обеспечение (СПО)– полный набор программных средств для эффективного функционирования вычислительной системы.
СПО координирует работу технических средств и организует обработку информации пользователя.
Основная часть (ядро) системного программного обеспечения – операционная система.
Операционная система (ОС)– совокупность программ, обеспечивающих работоспособность технических средств на внутреннем уровне, т.е. собственно функционирование ЭВМ в процессе вычислений.
Сервисные средства– программные модули, организующие дружественность (удобство) взаимодействия ОС с пользователем в процессе обработки информации.
Оболочки, редакторы – программы эффективного выполнения типовых действий над информацией.
Оболочки – средства предоставления дополнительных возможностей обработки информации и организации дружественного интерфейса.
Редакторы (текстовые процессоры) – средства обработки символьной информации на элементарном уровне с различной степенью детализации (блочно или посимвольно).
Интегрированная среда разработки приложений (ИСРП) – совокупность программных модулей, обеспечивающих в комплексе с операционной системой, полную автоматическую (полуавтоматическую) машинную обработку программ пользователя.
Прикладное программное обеспечение (ППО) – совокупность программ для непосредственного решения информационных задач пользователя.
Программы пользователя – программные модули, составляемые пользователем для решения собственных нестандартных задач.
