Випадок на іспиті.
Професор.Як працює трансформатор?
Студент.У-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у-у...
Ми давно вже звикли до персональних. Включаємо їх і працюємо, власне кажучи, мало не замислюючись над тим, як вони влаштовані і як працюють. Все це завдяки тому, що розробники ПК та програмного забезпечення до них навчилися створювати надійні продукти, які не дають нам приводу вкотре задуматися над пристроєм комп'ютера або програм, що його обслуговують.
Тим не менш, ймовірно, читачам блогу цікаво дізнатися про принципи роботи комп'ютера і програмного забезпечення. Цьому і буде присвячено серію статей, які публікуються в рубриці «Як працює ПК».
Комп'ютер для автоматизації процесів обробки інформації. Він улаштований відповідним чином, щоб мати всі можливості для успішного виконання свого призначення.
Для того щоб обробляти в комп'ютері інформацію, з нею необхідно виконувати такі основні операції:
– вводити інформаціюв комп'ютер:
Ця операція потрібна для того, щоб комп'ютер було що обробляти. Без можливості введення інформації в комп'ютер він стає ніби річчю в собі.
– зберігати введену інформаціюу комп'ютері:
Очевидно, що якщо дати можливість вводити інформацію в комп'ютер, то треба мати цю інформацію в ньому зберігати, і потім використовувати в процесі обробки.
– обробляти введену інформацію:
Тут треба розуміти, що для обробки введеної інформації потрібні певні алгоритми обробки, інакше ні про яку обробку інформації не може бути мови. Комп'ютер повинен бути забезпечений такими алгоритмами і повинен вміти їх застосовувати до інформації, що вводиться, з тим, щоб «правильно» перетворювати її у вихідні дані.
– зберігати оброблену інформацію,
Так само як і зі збереженням введеної інформації, в комп'ютері повинні зберігатися результати його роботи, результати обробки вхідних даних для того, щоб надалі ними можна було б скористатися.
– виводити інформацію з комп'ютера:
Ця операція дозволяє вивести результати обробки інформації в зручному для користувачів ПК вигляді. Зрозуміло, що дана операція дає можливість скористатися результатами обробки інформації на комп'ютері, інакше ці результати обробки так і залишилися всередині комп'ютера, що зробило б їх отримання абсолютно безглуздим.
Найважливіше вміння комп'ютера – це обробка інформації, оскільки його принадність якраз і полягає в тому, що він може перетворювати інформацію. Весь пристрій комп'ютера обумовлено вимогою обробки інформації в найкоротші терміни, найшвидшим способом.
Під обробкою інформації на комп'ютері можна розуміти будь-які дії, які перетворюють інформацію з одного стану на інший. Відповідно, комп'ютер має спеціальний пристрій, званий , який призначений виключно для надзвичайно швидкої обробки даних, зі швидкостями, що сягають мільярдів операцій на секунду.
Процесор
Необхідні для обробки дані процесор отримує (бере) з пристрою, призначеного для тимчасового зберігання як вхідних, так і вихідних даних. Там же в оперативній пам'яті знаходиться місце для зберігання проміжних даних, що формуються в процесі обробки інформації. Таким чином, процесор отримує дані з оперативної пам'яті, так і записує оброблені дані в оперативну пам'ять.
Оперативна пам'ять (ОЗП)
Нарешті, для введення та виведення даних до комп'ютера підключаються , які дозволяють вводити інформацію, що підлягає обробці, та виводити результати цієї обробки.
Зовнішній вінчестер, зовнішній DVD-пристрій, флешка, клавіатура, миша
Процесор та оперативна пам'ять працюють з однаково великою швидкістю. Як уже говорилося вище, швидкість обробки інформації може становити багато мільйонів і мільярдів операцій на секунду. Ніякий зовнішній пристрій введення та виведення інформації не може працювати на таких швидкостях.
Тому для їх підключення в комп'ютері передбачені спеціальні контролери пристроїв введення-виведення. Їхнє завдання полягає в тому, щоб узгодити високі швидкості роботи процесора та оперативної пам'яті з відносно низькими швидкостями введення та виведення інформації.
Ці контролери поділяються на спеціалізовані, яких можуть бути підключені лише спеціальні пристрої, і універсальні. Приклад спеціалізованого пристрою контролера служить, наприклад, відеокарта, яка призначена для підключення до комп'ютера монітора.
Можна виділити чотири основні види інформаційних процесів: збір, передача, обробка та накопичення.
З накопиченням інформації пов'язані такі поняття:
Носій інформації- Це фізичне середовище, яке безпосередньо зберігає інформацію.
Пам'ять людини можна умовно назвати оперативною (поняття «оперативний» є синонімом поняття «швидкий»). Людина швидко відтворює збережені у пам'яті знання. Внутрішньою можна назвати пам'ять людини, а носієм інформації – мозок. Зовнішніми носіями (стосовно людини) є інші носії: папірус, дерево, папір, магнітний диск, флеш-накопичувач тощо.
Сховище інформації- це спеціальним чином організована інформація на зовнішніх носіях, яка призначена для тривалого зберігання та постійного використання (наприклад, архіви документів, бібліотеки, картотеки, бази даних). Одиницею сховища інформації є фізичний документ: анкета, журнал, книга, диск та інших. Під організацією сховища розуміється упорядкування, структурування, класифікація документів, що зберігаються для зручності роботи з ними.
Основними властивостями сховища інформаціїє обсяг інформації, надійність її зберігання, час доступу до неї (тобто швидкість пошуку необхідних відомостей), захист інформації.
Визначення 1
На пристроях комп'ютерної пам'яті інформацію називають даними , а сховища даних – базами та банками даних .
Т.к. людина може забути будь-яку інформацію, то зовнішні носії є надійнішими і ними можна довше зберігати необхідну інформацію. Саме за допомогою зовнішніх носіїв люди мають можливість передавати свої знання з покоління до покоління.
Технічними засобами реалізації накопичення інформації є носії інформації: оперативна пам'ять комп'ютера (ОЗУ), гнучкі, оптичні та жорсткі диски, переносні пристрої - флеш-накопичувачі і т.п.
Обмін інформацією між людьмивідбувається у процесі її передачі, що може відбуватися під час розмови, з допомогою листування, використовуючи технічні засоби зв'язку: телефон, радіо, телебачення, комп'ютерна мережу.
При передачі інформації завжди існує джерелоі приймач інформації. Джерело передає інформацію, а приймач її отримує. Дивлячись телевізор або слухаючи товариша, ви приймаєте інформацію, розповідаючи вивчений вірш, при написанні твору – джерелом інформації. Кожна людина неодноразово з джерела стає приймачем інформації та навпаки.
Інформація зберігається та передається у вигляді послідовності сигналів, символів.Від джерела до приймача повідомлення передається за допомогою деякого матеріального середовища: під час розмови – за допомогою звукових хвиль, при листуванні – поштового зв'язку, при телефонній розмові – системи телефонного зв'язку. Що стосується передачі повідомлення з допомогою технічних засобів зв'язку їх називають інформаційними каналами (каналами передачі). Органи чуття людини є біологічними інформаційними каналами.
Таким чином, передача інформації відбувається за такою схемою:
Малюнок 1.
У процесі передачі інформація часто спотворюється чи губиться, т.к. інформаційні канали мають погану якість або лінії зв'язку діють перешкоди (шуми). Прикладом інформаційного каналу поганої якості може бути поганий телефонний зв'язок.
Передача інформації відбувається з якоюсь швидкістю, яка є інформаційним обсягом повідомлення, яке передається в одиницю часу. Тому одиниці виміру швидкості передачі біт/с, байт/с та інших.
Схема обробки інформації:
Малюнок 2.
Під час обробки інформації вирішується інформаційне завдання, яка спочатку може бути представлена у традиційній формі: з деякого набору вихідних даних необхідно отримати певні результати. Перехід від вихідних даних результату є процесом обробки. Об'єкт чи суб'єкт, який здійснює обробку, є виконавцем обробки.
Приклад 1
Нехай учневі потрібно вирішити математичну задачу: у прямокутному трикутнику дано довжини двох катетів, потрібно знайти гіпотенузу. Для її вирішення учневі, крім вихідних даних, потрібно знати математичне правило – теорему Піфагора. Застосовуючи цю теорему, він отримає потрібну величину. Нові дані виходять шляхом обчислень, що виконуються над вихідними даними.
Обчислення є лише одним із варіантів обробки інформації. Як метод обробки інформації можна використовувати як математичні розрахунки, а й логічні міркування.
Результатом процесу обробки інформації який завжди є отримання будь-яких нових відомостей. Наприклад, при перекладі тексту з англійської на російську відбувається обробка інформації, яка змінює її форму, але не зміст.
Для успішної обробки інформації виконавець має використовувати алгоритм обробки, тобто. послідовність дій, яку потрібно виконати задля досягнення потрібного результату.
Існує два види обробки інформації:
Малюнок 3.
Кодування- Перетворення інформації в символьну форму, яка зручна для її накопичення, передачі, обробки та збору. На початку XX століття телеграфні повідомлення кодувалися та передавалися за допомогою азбуки Морзе. Кодування активно використовують під час роботи з інформацією за допомогою технічних засобів (телеграф, радіо, комп'ютери тощо).
Структурування даних– упорядкування інформації у сховищі, класифікація, каталогізація даних.
Ще один вид обробки інформації - пошук у деякому сховищі інформації (в основному на зовнішніх носіях: книгах, схемах, таблицях, картках) необхідних даних, які задовольняють певним умовам пошуку (запиту).
Визначення 2
Отримання інформації- Збір відомостей з різних джерел (зі сховища даних, спостереження за подіями та явищами, спілкування, телебачення, комп'ютерна мережа і т.д.). Отримання інформації ґрунтується на відображенні різних властивостей процесів, об'єктів та явищ навколишнього середовища. Цей процес виявляється у сприйнятті за допомогою органів чуття. Для покращення сприйняття інформації існують різноманітні індивідуальні пристрої та пристрої – окуляри, бінокль, мікроскоп, стетоскоп, різні датчики тощо.
Обробка інформації полягає у отриманні одних «інформаційних об'єктів» з інших «інформаційних об'єктів» шляхом виконання деяких алгоритмів і є однією з основних операцій, що здійснюються над інформацією, та головним засобом збільшення її обсягу та різноманітності.
На самому верхньому рівні можна виділити числову та нечислову обробку. У зазначені види обробки вкладається різне трактування змісту поняття «дані». При числової обробкивикористовуються такі об'єкти, як змінні, вектори, матриці, багатовимірні масиви, константи і т.д. При нечислової обробкиоб'єктами може бути файли, записи, поля, ієрархії, мережі, відносини тощо. Інша відмінність у тому, що з числової обробці зміст даних немає великого значення, тоді як за нечисловой обробці нас цікавлять безпосередні інформацію про об'єктах, а чи не їх сукупність загалом.
З погляду реалізації на основі сучасних досягнень обчислювальної техніки виділяють такі види обробки інформації:
послідовна обробка, що застосовується в традиційній фоннейманівській архітектурі ЕОМ, що має в своєму розпорядженні один процесор;
паралельна обробка, що застосовується за наявності кількох процесорів в ЕОМ;
конвеєрна обробка, пов'язана з використанням в архітектурі ЕОМ одних і тих же ресурсів для вирішення різних завдань, причому якщо ці завдання тотожні, це послідовний конвеєр, якщо завдання однакові – векторний конвеєр.
Прийнято відносити існуючі архітектури ЕОМ з погляду обробки інформації до одного з таких класів.
Архітектури з одиночним потоком команд та даних (SISD). До цього класу відносяться традиційні однопроцесорні системи, де є центральний процесор, який працює з парами «атрибут – значення».
Архітектури з одиночними потоками команд та даних (SIMD). Особливістю даного класу є наявність одного (центрального) контролера, який управляє рядом однакових процесорів. Залежно від можливостей контролера та процесорних елементів, числа процесорів, організації режиму пошуку та характеристик маршрутних та вирівнюючих мереж виділяють:
Матричні процесори, що використовуються для вирішення векторних та матричних задач;
Асоціативні процесори, що застосовуються для вирішення нечислових завдань та використовують пам'ять, в якій можна звертатися безпосередньо до інформації, що зберігається в ній;
Процесорні ансамблі, що застосовуються для числової та нечислової обробки;
Конвеєрні та векторні процесори.
Архітектури з множинним потоком команд та одиночним потоком даних (MISD). До цього класу можна віднести конвеєрні процесори.
Архітектури з множинним потоком команд та множинним потоком даних (MIMD). До цього класу можуть бути віднесені такі зміни: мультипроцесорні системи, системи з мультиобробкою, обчислювальні системи з багатьох машин, обчислювальні мережі.
Основні процедури обробки даних представлені малюнку.
Створення даних, як операція обробки, передбачає їх освіту в результаті виконання деякого алгоритму та подальше використання для перетворень на вищому рівні.
Модифікація данихпов'язана з відображенням змін у реальній предметній галузі, що здійснюються шляхом включення нових даних та видалення непотрібних.
Забезпечення безпеки та цілісності данихспрямоване на адекватне відображення реального стану предметної області в інформаційній моделі та забезпечує захист інформації від несанкціонованого доступу (безпека) та від збоїв та пошкоджень технічних та програмних засобів.
Пошук інформації, що зберігається в пам'яті комп'ютера, здійснюється як самостійна дія при виконанні відповідей на різні запити та як допоміжна операція при обробці інформації.
Малюнок – Основні процедури обробки даних
Підтримка ухвалення рішеньє найбільш важливою дією, що виконується при обробці інформації. Широка альтернатива прийнятих рішень призводить до необхідності використання різноманітних математичних моделей.
Залежно від ступеня поінформованості про стан керованого об'єкта, повноти та точності моделей об'єкта та системи управління, взаємодії із зовнішнім середовищем, процес прийняття рішень протікає в різних умовах:
1) прийняття рішень за умов визначеності. У цьому завдання моделі об'єкта та системи управління вважаються заданими, а вплив довкілля – несуттєвим. Тому між обраною стратегією використання ресурсів і кінцевим результатом існує однозначний зв'язок, звідки випливає, що в умовах визначеності достатньо використовувати вирішальне правило для оцінки корисності варіантів рішень, приймаючи як оптимальне те, що призводить до найбільшого ефекту. Якщо таких стратегій кілька, всі вони вважаються еквівалентними. Для пошуку рішень за умов визначеності використовують методи математичного програмування;
2) прийняття рішень в умовах ризику. На відміну від попереднього випадку для прийняття рішень в умовах ризику необхідно враховувати вплив зовнішнього середовища, який не піддається точному прогнозу, а відомий лише ймовірнісний розподіл його станів. У умовах використання однієї й тієї ж стратегії може призвести до різних результатів, ймовірності появи яких вважаються заданими чи може бути визначено. Оцінку та вибір стратегій проводять за допомогою вирішального правила, що враховує можливість досягнення кінцевого результату;
3) ухвалення рішень в умовах невизначеності. Як і в попередній задачі між вибором стратегії та кінцевим результатом відсутній однозначний зв'язок. Крім того, невідомі також значення ймовірностей появи кінцевих результатів, які або не можуть бути визначені або не мають у контексті змістовного сенсу. Кожній парі "стратегія - кінцевий результат" відповідає деяка зовнішня оцінка у вигляді виграшу. Найбільш поширеним є використання критерію здобуття максимального гарантованого виграшу;
4) прийняття рішень в умовах багатокритеріальності. У будь-який з перелічених вище завдань багатокритеріальність виникає у разі наявності кількох самостійних, які не зводяться одна до іншої цілей. Наявність великої кількості рішень ускладнює оцінку та вибір оптимальної стратегії. Одним із можливих шляхів вирішення є використання методів моделювання.
Створення документів, звітів, звітівполягає у перетворенні інформації у форми, придатні для читання як людиною, так і комп'ютером. З цією дією пов'язані і такі операції, як обробка, зчитування, сканування та сортування документів.
При обробці інформації здійснюється її переклад із однієї форми подання чи існування до іншої, що визначається потребами, що виникають у процесі реалізації інформаційних технологій.
Реалізація всіх процесів, виконуваних у процесі обробки інформації, здійснюється за допомогою різноманітних програмних засобів.
Способи обробки, в принципі, є правилами і методиками роботи з матеріалом за допомогою інструментів.
Технологія-спосіб обробки конкретних матеріалів конкретними інструментами з метою отримання конкретного продукту.
Інформаційна технологія – методика цілеспрямованої обробки інформації за допомогою ЕОМ
Будь-яка інформаційна технологія базується на класичних методах аналізу та синтезу (рис. 1.10).
Мал. 1.10. Основні способи обробки
Аналіз-подання об'єкта дослідження сукупністю складових елементів.
Відомі різноманітні методи аналізу.
Найефективнішим є системний аналіз. Він дозволяє проводити розчленування (структурування) об'єкта дослідження за такими правилами:
вибрати конкретний критерій аналізу із можливих;
поставити ступінь деталізації об'єкта (яви);
представити об'єкт (явище) сукупністю складових відповідно до обраних критеріїв та ступеня деталізації.
Системний аналіз дозволяє проводити багатогранне дослідження об'єктів відповідно до вимог критеріїв оцінки, тобто замінити об'єкт, що досліджується, конкретними наборами характеристик.
Аналіз дає можливість уявити будь-яку складну систему сукупністю простих, кожна з яких, своєю чергою, може бути деталізована ще простішими. Використовуючи отриману систему як вихідну, процес можна повторювати необхідну кількість разів. Кількість щаблів аналізу визначається доцільністю. Отже, аналіз, полегшуючи завдання дослідника, дозволяє оперувати з кінцевим рахунком з досить елементарними об'єктами.
Істотним є вибір початкового поняття аналізованого об'єкта (системи). Так, під реальним світом можна розуміти всесвіт, або планету, або довкілля (сушу), і т.д. Отже, починаючи аналіз, потрібно чітко сформулювати властивості вихідного об'єкта.
Співвідношення понять «реальний світ» за різного ступеня деталізації елементів представлено схемою рис. 1.11.
Якщо як вихідний об'єкт прийняти планету «Земля», точка відліку зміщується, і діапазон дослідження суттєво знижується.
Синтез-об'єднання деякої сукупності об'єктів дослідження в єдине ціле.
Мал. 1.11. Варіант деталізації реального світу
Синтез дозволяє проводити роботи зі створення складних систем із сукупності простих. При цьому зазвичай задаються критерії (мета) синтезу.
Мета синтезу – нові (покращені чи кардинально змінені) характеристики створюваного цілого. В універсальному варіанті можливий багаторівневий синтез (рис. 1.12). Продукт синтезу - новий (цільовий) виріб.
Типове фізичне втілення ідеї синтезу – дитячий конструктор, що дозволяє зі стандартного набору деталей (найпростіших об'єктів) відповідно до обраного критерію.
Мал. 1.12. Модель синтезу об'єктів
(метою) створювати різні вироби (продукти), які мають різні характеристики.
Інформатика, як і будь-яка інша наука (система, явище), передбачає використання і аналізу та синтезу.
Так, технологія отримання (збору) інформації, використовуючи метод аналізу, детально наказує дії роботи з технічними засобами вимірювання параметрів (температури, тиску і т.п.), перетворення отриманих значень на цифрові та запис в елементи технічних засобів для зберігання.
Технологія обробки інформації, у свою чергу, базується на методах синтезу, що дозволяє отримувати узагальнені результати виходячи з відомої множини вихідних.
В інформатиці аналіз та синтез використовують для створення специфічного – програмного продукту.
Програмний продукт - жорстко зафіксована технологія обробки даних.
У цьому під технологією розуміється сукупність правил і розпоряджень, які забезпечують ефективне функціонування технічних засобів у процесі вирішення інформаційних завдань.
Технологія може бути представлена у вигляді алгоритму чи програми.
Алгоритм оформляє сукупність правил і розпоряджень у вигляді, зручному для людини. Програма – таку саму сукупність як, доступному ЕОМ.
Програмний продукт – узагальнена назва кінцевого результату діяльності програміста.
Особливість програмного продукту – двоїстість власності (призначення). Програмний продукт утворюється як наслідок спеціальної обробки деякої інформації та використовується як інструмент для отримання нової, тобто. є як матеріалом, і засобом обробки.
Створення програмного продукту – одне з основних завдань інформаційних технологій. На цьому етапі програмний продукт виступає в ролі інформації, що обробляється.
Отже, програмні продукти, поруч із даними, ставляться до інформаційних ресурсів.
Готовий програмний продукт використовується як засіб обробки інформації, на яку він призначався.
Технології створення та використання програмних продуктів – один із базових компонентів інформатики.
Виходячи з викладеного, представимо класифікацію способів обробки за критерієм оброблюваний матеріалдворівневою схемою (рис. 1.13).
Мал. 1.13. Класифікація способів обробки за матеріалами, що використовуються
Програмні продукти мають широкий спектр застосування. Зокрема, використовуються під час створення програмного забезпечення.
Програмне забезпечення– сукупність програмних продуктів, визначальних технологію у сфері інформатики.
Програмне забезпечення (ПЗ) – нематеріальні засоби обробки інформації з використанням матеріальних (технічних) засобів.
Англійське позначення ПЗ – Software (м'який продукт).
Аналіз цієї гілки інформатики за критерієм призначення елементіввизначає структуру програмного забезпечення багаторівневою схемою (рис. 114).
Мал. 1.14. Структура програмного забезпечення
Кожен рівень визначається конкретним ступенем деталізації: верхній – мінімальним, нижній – максимальним.
Визначимо одержані компоненти схеми.
Системне програмне забезпечення – повний набір програмних засобів для ефективного функціонування обчислювальної системи.
СПО координує роботу технічних засобів та організує обробку інформації користувача.
Основна частина (ядро) системного програмного забезпечення – операційна система.
Операційна система (ОС)– сукупність програм, які забезпечують працездатність технічних засобів на рівні, тобто. власне функціонування ЕОМ у процесі обчислень.
Сервісні засоби - програмні модулі, що організують дружність (зручність) взаємодії ОС з користувачем у процесі обробки інформації.
Оболонки, редактори – програми ефективного виконання типових процесів над інформацією.
Оболонки – засоби надання додаткових можливостей обробки інформації та організації дружнього інтерфейсу.
Редактори (текстові процесори) – засоби обробки символьної інформації на елементарному рівні з різним ступенем деталізації (блоково чи посимвольно).
Інтегроване середовище розробки додатків (ІСРП) – сукупність програмних модулів, що забезпечують у комплексі з операційною системою, повну автоматичну (напівавтоматичну) машинну обробку програм користувача.
Прикладне програмне забезпечення (ППО) – сукупність програм безпосереднього вирішення інформаційних завдань користувача.
Програми користувача – програмні модулі, складені користувачем на вирішення власних нестандартних завдань.
