5. Матрица достижимости.

Для ориентированного графа G, имеющего N вершин также рассматривается матрица достижимости C(G) размера N x N, элементы которой определяются так:

C(i,j)=1- если вершина vj достижима из vi

C(i,j)=0- в противном случае.

Пример построения матрицы достижимости:

Рисунок 13 – Ориентированный граф.

Матрица достижимости.

	1	2	3	4	5
1	0	1	1	1	1
2	0	0	0	0	5
3	0	0	0	4	0
4	0	0	0	0	0
5	0	0	0	0	0

Минимизация сети.

Задача минимизации сети состоит в нахождении ребер, со­единяющих все узлы сети и имеющих минимальную суммар­ную длину.

На ребрах, соединяющих узлы 1, 2, 3, указаны длины. Узел 3 соединен с узлами 1 и 2 минимальной длиной 4+6 = 10. Если соединить узлы 1 и 2, то возникает цикл и получающаяся сеть не будет минимальной. Отсутствие циклов в минимальной сети дало ей название "минимальное дерево-остов".

Алгоритм решения

Начнем с любого узла и соединим его с ближайшим уз­лом сети. Соединенные два узла образуют связное множество, а остальные — несвязное. Далее в несвязном множестве выбе­рем узел, который расположен ближе других к любому из узлов связного множества. Скорректируем связное и несвязное мно­жества и будем повторять процесс до тех пор, пока в связное множество не попадут все узлы сети. В случае одинаково уда­ленных узлов выберем любой из них, что указывает на неодно­значность (альтернативность) "минимального дерева-остова".

Пример. Телевизионная фирма планирует создание кабель­ной сети для обслуживания 5 районов-новостроек. Числа на ребрах указывают длину кабеля (рис. ниже). Узел 1 — телеви­зионный центр. Отсутствие ребра между двумя узлами означа­ет, что соединение соответствующих новостроек либо связано с большими затратами, либо невозможно.

Рисунок 14 – Ход решения.

Найти такое соединение кабелем районов-новостроек, что­бы длина его была минимальной.

Решение. Минимальная длина кабеля: 1+3+4+3+5 = 16 (рис.14).

Пример. На рис. 30.20 указаны длины коммуникаций, свя­зывающих 9 установок по добыче газа в открытом море с рас­положенным на берегу приемным пунктом. Поскольку скважи­на 1 расположена ближе всех к берегу, она оснащена необходи­мым оборудованием для перекачки газа, идущего с остальных скважин в приемный пункт.

Построить сеть трубопровода, соединяющего все скважины с приемным пунктом и имеющего минимальную общую длину труб.

Рисунок 15 – Ход решения.

Решение. Минимальная длина труб: 5+6+4+3+7+5+ 6+5=41

Лекция 9. Алгоритм и его свойства

Сущность задачи программирования — записать что-то на чужом, малознакомом языке (мы здесь не ведем речь о профессионалах-программистах, для которых язык програм­мирования ближе, чем родной). Т. е. задача, прямо скажем, не новая! Человечество тысячи лет ее решает весьма ус­пешно.

При решении задачи на ЭВМ сначала сле­дует описать процесс решения на родном для программиста языке, например в виде схемы алгоритма, «отшлифовать» его и только после этого перевести на язык ЭВМ — БЕЙСИК, ПАСКАЛЬ и др.

Выделяют несколько этапов решения задачи (создания алгоритмов).

Первый этап – это поиск метода решения. Часто главная трудность — из нескольких ме­тодов выбрать такой, который в наибольшей степени от­вечал бы некоторым требованиям, например, минималь­ная трудоемкость, максимальная эффективность и т. д.

Второй этап значительно сложнее и состоит в выполнении определенных правил, а именно:

— выделить величины, являющиеся исходными для задачи;

— разбить процесс решения задачи на такие этапы, которые известны исполнителю и которые он мо­жет выполнить однозначно без всяких пояснений;

— указать порядок выполнения этапов;

— указать признак окончания процесса решения за­дачи;

— указать во всех случаях, что является результатом решения задачи.

Описание метода, выполненное в соответствии с эти­ми правилами, называется алгоритмом решения задачи.

Итак, мы подошли к центральному понятию информатики — алгоритму. Оно, как говорится, красной нитью (а точнее, красным канатом) проходит через весь курс. Бо­лее строго это понятие можно определить так:

Алго­ритм— это метод (способ) решения задачи, записанный по определенным правилам, обеспечивающим одно­значность его понимания и механического исполнения при всех значениях исходных данных (из некоторого множества значений).

В Толковом словаре по информатике (1991 г.) дано общепринятое определение этого понятия: алго­ритм — точное предписание, определяющее вычисли­тельный процесс, ведущий от варьируемых начальных данных к искомому результату.

Примером алгоритма может служить кулинарный рецепт приготовления блюда.

Рассмотрим простейший алгоритм — алгоритм завар­ки чая:

1. Подготовить исходные величины — чай, воду, чай­ник, стакан, ложку.

2. Налить в чайник воду.

3. Довести воду до кипения и снять с огня.

4. Всыпать в чайник чай.

5. Довести воду до кипения (но не кипятить), снять с огня.

6. Чай готов. Процесс прекратить.

Для углубления понятия алгоритма выделим и рас­кроем его основные свойства, вытекающие из его опре­деления.

Существует значительное число подобных языков — БЕЙСИК, ФОРТРАН, ПЛ/1, ПАСКАЛЬ и др. Они назы­ваются языками программирования. Запись алгоритма на таком языке называется программой, а процесс пере­вода алгоритма на указанный язык — программирова­нием.

Алгоритмический процесс— процесс последовательного преобра­зования конструктивных объектов (слов, чисел, пар слов, пар чисел, предложений и т.п.)., происходящий дискретными «шагами». Каждый шаг состоит в смене одного конструктивного объекта другим.

Выводы.

1. Процесс решения задач на ЭВМ предполагает выполнение следующих основных этапов: формулировка задачи, выбор метода решения задачи, составление алгоритма, составление програм­мы, решение задачи на ЭВМ по заданной программе. Исходя из этого, основные понятия указанного про­цесса: «метод» — «алгоритм» — «программа».

2. Рассмотренная трактовка понятия «алгоритм» показывает, что алгоритм— это не что-то отвле­ченное, абстрактное и присущее лишь процессу использования ЭВМ, а неотъемлемая часть по­вседневной жизни. В частности, любые инструк­ции, любые распоряжения руководства должны быть сформулированы в виде алгоритма, чтобы они были однозначно поняты подчиненными. Причем правила формирования распоряжений-ал­горитмов, инструкций-алгоритмов те же, что и для алгоритмов решения задач на ЭВМ. В этом отношении предмет «Основы информатики» занимает особое положение в ряду прочих предметов, так как он учит составлять алгоритмы, что очень важно в жизни, а не только применительно к ЭВМ.

Свойства алгоритмов.

1. Дискретность алгоритма. Свойство алгоритма, озна­чающее, что процесс решения задачи, определяемый алгоритмом, расчленен на отдельные элементарные действия (шаги) и, соответственно, алгоритм представ­ляет последовательность указаний, команд, определя­ющих порядок выполнения шагов процесса.

2. Определенность алгоритма. Это свойство означает, что каждая команда алгоритма (предписание, .выдава­емое на каждом шаге) должна быть понятна исполни­телю, не оставлять места для ее неоднозначного тол­кования и неопределенного исполнения. Описание ал­горитма должно быть таким, чтобы его мог выпол­нить любой грамотный пользователь.

3. Результативность алгоритма. Свойство алгоритма, состоящее в том, что он всегда приводит к результату через конечное, возможно, очень большое число ша­гов.

4. Массовость алгоритма. Это свойство заключается в том, что каждый алгоритм, разработанный для реше­ния некоторой задачи, должен быть применим для ре­шения задач этого типа при всех допустимых значе­ниях исходных данных.

Возможности ЭВМ. Как отмечалось, при составлении алгоритма процесс решения задачи разбивают на этапы, ориентируясь на исполнителя, на операции, известные ему.

Переменные числовые величи­ны могут в процессе решения задач принимать разные значения. В записи алгоритма они обозначаются буква­ми, как в математике, или словами: X, У, МАХ, РЕ­ЗУЛЬТАТ.

В ЭВМ для любой величины выделяется ячей­ка памяти. Если это числовая величина, то в ней хра­нится число, изображающее значение этой величины.

Текстовые величины могут быть переменными и пос­тоянными. Текстовые константы — "ХОРОШО", "ВАСЯ", "У=2Х(А+.В)" и т. д., т. е. это любой текст в кавычках. Такие тексты обычно используются для пояс­нения результатов вычислений, выдаваемых ЭВМ.

Тек­стовые переменные, как и числовые, обозначаются бук­вами или словами. В этом случае в ячейку памяти, выде­ленную для переменной, помещается не число, а некото­рый текст. Например, если ДРУГ — текстовая перемен­ная, то в ячейку, выделенную для нее, в один момент времени можно записать текст "ВАСЯ", в другой мо­мент — "ТАНЯ" и т. д. Эти тексты и будут значениями переменной ДРУГ в разные моменты времени.

Массивы.Часто в технике, науке и жизни используются не отдельные числа и величины, а множества связанных однородных величин. Так, дата — это совокупность трех чисел, например 19. 10. 88.

Массивом называется упорядоченная совокупность однородных величин, обоз­наченных каждая одним и тем же именем с различными целочисленными индексами, изменяющимися по поряд­ку. Индекс (индексы) определяет(ют) положение элемента в массиве.

Каждому массиву, обычно, присваивается имя, что дает возможность различать массивы между собой и об­ращаться к ним по именам.

Различают разные виды массивов в зависимости от их внутреннего строения, взаимного расположения эле­ментов. Так, элементы массива могут располагаться стро­го последовательно, например {3, 4, 2, 8}. Такие массивы называются одномерными.

Каждый подобный массив определяется именем и числом элементов и обозначается:

Т(1 : n), где Т — имя массива; n — число элементов массива, на­пример А(1:4).

ЭВМ может выпол­нять следующие операции над величинами:

1. Считывать конкретные значения ис­ходных величин с различных устройств ввода, например с дисплея, и помещать каждое из них в ячейку, выде­ленную для соответствующей переменной.

2. Вычислять значения величины по заданной формуле, содержащей любые арифметические операции, ряд элементарных функций.

3. печатать на бумаге или выводить на экран дисплея значения величин или любой текст. Эта операция называется «Вывод» или «Печать» и записы­вается, например, так:

Вывод X, Y, Z, "конец вычислений".

Данная операция, в частности, позволяет выводить из ЭВМ результаты решения задачи и пояснения к ним.

4. Переходить от одного этапа решения задачи к любому другому. Операция называется «Пере­ход». В ней указывается номер этапа, к которому нужно перейти. Например: Перейти к п. 6.

5. Сравнивать значения двух арифмети­ческих выражений (или двух текстовых величин) на предмет проверки условий: <, >, = и т. д. и в зависи­мости от результатов проверки выбирать один из двух возможных вариантов дальнейших действий. Записыва­ется это, например, так:

Если X>Y, то У:=Х2,

иначе У:=Х.

Подобную операцию называют Условный переход (Ветвление).

Способы описания алгоритмов.

В настоящее время используется несколько та­ких способов:

1. Словесно-формульное описание алгоритма, т. е. описание алгоритма с помощью слов и формул. Это на­иболее простой способ. Для его понимания достаточно рассмотреть пример, приведенный ниже. Кстати, кули­нарный рецепт — пример такого описания алгоритма.

2. Графическое описание алгоритма, т. е. описание с помощью схем алгоритмов. Схема алгоритма представ­ляет собой систему связанных геометрических фигур. Каждая фигура обозначает один этап процесса решения задачи и называется блоком. Порядок выполнения эта­пов указывается стрелками, соединяющими блоки. В схеме блоки стараются размещать сверху вниз, в поряд­ке их выполнения. Для наглядности операции разного вида изображаются в схеме различными геометрически­ми фигурами.

Операция присваивания изображается прямоугольни­ком, например:

Операции Ввод и Вывод изображаются параллело­граммом, например:

Каждый из трех указанных блоков имеет один вход и один выход.

Операция Условный переход изображается ромбом;

блок имеет два выхода —Да и Нет, например:

Если условие выполняется — выходим из блока по выходу Да, если не выполняется — по выходу Нет.

Начало процесса решения задачи обозначается бло­ком Начало.

Завершение процесса решения задачи обозначается блоком Останов.

Последние два блока изображаются так:

3. Описание алгоритма на ал­горитмическом языке (алгоязыке). Алгоритмический язык — это средство для записи алгорит­мов в аналитическом виде, про­межуточном между записью ал­горитма на естественном (чело­веческом) языке и записью на языке ЭВМ (языке программиро­вания).

Пример:

Составить алгоритм начисления заработной платы согласно следующему правилу.

Если стаж работы сотрудника меньше 5 лет, то зарплата 130 руб., при стаже работы от 5 до 15 лет – 180 руб, при стаже свыше 15 лет зарплата повышается с каждым годом на 10руб.

Рисунок 16 –Блок – схема.

Виды алгоритмов и основные принципы составления алгоритмов.

Человеку в жизни и практической деятельности при­ходится решать множество различных задач. Решение каждой из них описывается алгоритмом, и разно­образие этих алгоритмов очень велико. Тем не менее можно выделить лишь три основных вида алгоритмов:

• линейной структуры,

• разветвляющейся структуры

• цик­лической структуры (для краткости далее будем назы­вать их просто: линейные, разветвляющиеся и цикли­ческие алгоритмы).

Разнообразие же алгоритмов определяется тем, что любой алгоритм распадается на части, фрагменты и каж­дый фрагмент представляет собой алгоритм одного из трех указанных видов. Поэтому важно знать структуру каждого из алгоритмов и принципы их составления.

Можно сформулировать общие правила построения схемы алгоритма задачи:

1. Выявить исходные данные, результаты, назна­чить им имена.

2. Выбрать метод (порядок) решения задачи.

3. Разбить метод решения задачи на этапы (с учетом возможностей ЭВМ).

4. Изобразить каждый этап в виде соответству­ющего блока схемы алгоритма и указать стрел­ками порядок их выполнения.

5. В полученной схеме при любом варианте вы­числений:

а) предусмотреть выдачу результатов или сообщений об их отсутствии;

б) обеспечить возможность после выполнения любой опера­ции так или иначе перейти к блоку Останов (к выходу схемы).

Эти правила и есть «Основные принципы алгоритми­зации

Линейные алгоритмы.

Линейным называется алгоритм, в котором все эта­пы решения задачи выполняются строго последовательно.

Разветвляющиеся алгоритмы

Разветвляющимся называется такой алгоритм, в котором выбирается один из нескольких возможных путей (вариантов) вычислительного процесса. Каждый подобный путь называется ветвью алгоритма.

Признаком разветвляюще­гося алгоритма является наличие операций проверки условия. Обычно различают два вида условий — простые и составные.

Простым условием (отношением) называется выражение, составленное из двух арифметических выражений или двух текстовых величин, связанных одним из знаков:

> < =

Например: да нет

Циклические алгоритмы.

Циклическим называют алгоритм, в котором получение результата обеспечивается многократным выполнением одних и тех же операций.

Рисунок 17 - Циклические алгоритмы.

Пример: Вычислить значение функции при х=2, 4, 6

Порядок решения задачи:

Х:=2

вывод Y.

Х:=2+2

вывод Y.

Х:=x+2

вывод Y.

Х:=x+2

Останов

Лекция 10. Основы вычислительной техники

1 Краткая историческая справка о развитии вычислительной техники.

Компьютеры или электронные вычислительные машины (ЭВМ) появились более сорока лет назад. Первый компьютер ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer ) был спроектирован Джоном. Мокли и Претти Эккертом в 1945 г. в Пенсильванском университете, США. Компьютер ENIAC первоначально предназначался для проведения баллистических расчетов в период второй мировой войны, однако его работы над ним былы завершены после войны. Вплоть до начала 50-х годов она активно использовалась для научных расчетов. В Европе первый компьютер был создан в 1947 г. в Великобритании. В Советском Союзе первая ЭВМ МЭСМ (малая электронная счетная машина) была создана в 1946-48 г.г. коллективом ученых, возглавляемых академиком Сергеем Алексеевичем Лебедевым в Киеве в местечке Феофания. "Таким образом, это почти одновременные события. Причем, дата условная, на самом деле первые шаги в России были сделаны раньше.

2. Классификация компьютеров по элементной базе.

Существует множество классификаций компьютеров, а самой распространенной является классификация по элементной базе. Именно изменения в элементной базе влекут изменение наиболее критической характеристики компьютеров - их быстродействия, т.е. количество операций в секундах, которые выполняет компьютер. Ввиду этого в нижеследующем тексте не оговаривается отдельно, что при переходе от поколения к поколению неуклонно происходит рост на порядки быстродействия компьютеров.

Первые компьютеры, относящиеся к компьютерам первого поколения, выполнялись на электронных вакуумных лампах. Основные недостатки машин первого поколения обусловливались большим потреблением энергии, чрезмерной громоздкости, незначительном объеме оперативной памяти, низкой надежности, слабо развитое программное обеспечение и, в частности, операционных систем и систем программирования, Вследствие этого использование машинных ресурсов было малоэффективным. Программы писались в так называемых машинных кодах и отлаживалась за ее пультом и большую часть времени машина простаивала в ожидании команд.

Компьютеры второго поколения появились в конце 50-х годов. Их элементной базой являлись транзисторы. Это позволило увеличить плотность монтажа электронной аппаратуры, снизить потребляемую электроэнергию, повысить надежность и увеличить срок службы машин. Программное обеспечение компьютеров второго поколения включает в свой состав ряд трансляторов с алгоритмических языков высокого уровня (Алгол, Фортран и др.), пакеты стандартных программ, различные сервисные программы. Задания для ЭВМ формируются на внешних носителях, например, перфокартах и собираются в пакеты для более эффективного использования машинных ресурсов. Примерами таких отечественных ЭВМ являются "Минск-3 2 ", НАИРИ, МИР, БЭСМ-6. Типичным примером зарубежной ЭВМ второго поколения является IBM-7090.

Компьютеры третьего поколения (конец 60-х - начало 70-х годов) выполнялись на интегральных полупроводниковых схемах, имеют развитое программное обеспечение, широкий спектр периферийных устройств (алфавитно-цифровые терминалы, графопостроители и т.д.). Радикально меняется принцип использования машинных ресурсов, так называемый режим разделения времени или мультипрограммный режим работы. В основе этого принципа лежит идея квантования времени для обслуживания пользователей, одновременно использующих машину, что позволяет эффективно использовать имеющиеся ресурсы, создавая иллюзию у каждого конкретного пользователя, что он является единственным. Появляется понятие семейства программно-совместимых компьютеров, что обеспечивает возможность переноса на новые модели программного обеспечения созданного для старых членов этого семейства компьютеров. В компьютерах третьего поколения произошло перераспределение функций между программной и аппаратной частями, т.е. многие функции, которые в компьютерах третьего поколения могли быть реализованы лишь программным путем, в компьютерах третьего поколения возложены на аппаратуру. Первым компьютером третьего поколения был компьютер IBM/360 . Они явились прообразом компьютеров третьего поколения, выпущенных позднее в ряде стран. В СССР была создана Единая Система ЭВМ (ЕС ЭВМ) имеющая архитектура сходную с IBM/360- IBM/370.

Компьютеры четвертого поколения (конец 70-х - начало 80-х г.г.) проектировались на больших интегральных схемах (БИС). В результате возросшего быстродействия стало возможным стереть разницу между основной и внешней память и реализовать концепцию одноуровневой или виртуальной памяти. Согласно этой концепции, введенной в начале 60-х годов на компьютере университета Манчестере Atlas , внешняя память может расширять основную на основе страничного обмена данными между ними. Концепция одноуровневой памяти оказала основополагающее влияние на конструирование компьютеров четвертого поколения. Наиболее крупным достижением, связанных с применением стало создание микропроцессоров и ненужность специальных помещений, системы вентиляции, специального оборудования для электропитания для эксплуатации компьютеров.

С созданием персонального компьютера в 80-х годах компьютер перестал быть элитарным орудием труда, требующим высокой квалификации от тех, кто его использует. Компьютер во все большей степени стал обретать черты бытовой техники, что потребовало от каждого человека умения с ним работать. Компьютер стал рассматриваться как инструмент конечного пользователя, а компьютерная грамотность – как вторая грамотность.

С 1999 года начал действовать международный сертификационный стандарт спецификация PC99. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Новый стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

• Consumer PC ( массовый ПК);

• Office PC ( деловой ПК);

• Mobile PC ( портативный ПК);

• Workstation PC ( рабочая станция);

• Entertainment PC ( развлекательный PC).

Согласно спецификации PС99 большинство персональных компьютеров, присутствующих сейчас на рынке попадают в категорию массовых ПК. Для деловых ПК минимизированы требования к средствам воспроизведения графики, а к средствам работы со звуковыми данными требования вообще не предъявляются. Для портативных ПК обязательным является наличие средств связи для удаленного доступа. В категории рабочих станций повышены требования к устройствам хранения данных, а в категории развлекательных ПК - к средствам воспроизведения графики и звука.

Современный этап развития общества характеризуется тем, что важнейшим производственным ресурсом становится информация. Все большее количество информации обрабатывается с применением компьютерной техники. Компьютер позволяет аккумулировать и связывать различные знания, то есть является инструментом. Компьютер рожден на стыке разных предметных областей, на их стыке он и используется. Этим и определяется место компьютера в эволюционном процессе.

3. Компоненты компьютера.

Управление компьютером осуществляется по заранее подготовленной программе, представляющей собой последовательность инструкций, команд, расположенный линейно друг за другом в основной памяти. Программа выполняется покомандно, в порядке их записи.

Современный персональный компьютер включает следующие компоненты:

• центральный процессор (ЦП) (CPU - Central Process Unit), являющийся логическим устройством для принятия решений и выполнения арифметических действий ( например Cyrix MII 400 NHz c MMX);

• внутренняя память, включающая постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) (ROM – Read Only Memory) и основная (оперативная, RAM - Random Access Memory) память или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

• внешняя память;

• периферийные устройства, с помощью которых компьютер принимает и передает информацию. По назначению периферийные устройства можно разделить на:

• устройства ввода данных;

• устройства вывода данных;

• устройства хранения данных;

• устройства обмена информацией.

• Процессор.

Процессор- функциональная часть компьютера, выполненная на микросхеме и предназначенная для выполнения основных операций по обработке данных и управлению работой других устройств. Основными параметрами процессоров являются: разрядность, тактовая частота и размер кэш-памяти.

Микропроцессор- это микросхема, которая производит все операции ПЭВМ, осуществляет управление всеми системами и элементами персональной ЭВМ, т.е. является главным элементом компьютера. Не случайно тип ПЭВМ определяется типом его процессора. Если мы говорим: "486 ПЭВМ", мы имеем в виду, что это персональная ЭВМ с 486-м процессором.

Разрядность. Персональная ЭВМ может оперировать одновременно ограниченным набором единиц информации. Наименьшую единицу информации называют двоичным разрядом. Один разряд в мире ПЭВМ называется бит (по-английски bit - кусочек). Если ПЭВМ за один раз может обработать 8 разрядов информации, то процессор 8-разрядный, если - 32 разряда, то процессор 32-разрядный и т.д. Разрядность процессора показывает, сколько бит данных он может принять и обработать за одни раз (один такт). Первые процессоры персональных компьютеров были 8-разрядными, а современные процессоры семейства Intel Pentium являются 32-разрядными.

Тактовая частота. Частота - это количество колебаний в секунду. Тактовая частота-это количество тактов в секунду. Т.е. чем больше тактов или действий в секунду может выполнять процессор, тем быстрее он работает.

На рынке производства микропроцессоров ведущее место занимают фирмы: Intel, Dec- процессоры Alpha 21164 c тактовой частотой 500МГц (Мегагерц).В основе работы процессора лежит такой же тактовый принцип, что и в обычных часах. Исполнение каждой команды занимает определенное количество тактов. Тактовые импульсы в механических часах задает пружинный маятник, а в компьютере - микросхема. Чем выше частота тактов, поступающих на процессор, тем больше команд он может исполнить в единицу времени, тем выше его производительность. Первые процессоры персональных компьютеров могли работать с частотой не выше 4,77 МГц, а современные процессоры работают с частотой превосходящей 500 МГц, т.е. 500 миллионов тактов в секунду.

Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с основной памятью. Для того, чтобы уменьшить количество обращения к основной памяти, внутри процессора создают буферную область - так называемую кэш память. Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в основную память. Принимая данные и основной памяти, процессор заносит его одновременно в кэш память. "Удачные" обращения в кэш-память называет попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем больше размер кэш-памяти, поэтом высокопроизводительные процессоры комплектуют повышенным объемом памяти.

Конструктивно П.К. выполнены в виде центрального системного блока, к которому через разъемы подключаются внешние устройства: клавиатура, принтер, дисплей и др.

Системный блок компьютера содержит элементы:

• Системную плату (материнскую плату).

• Дисководы.

• Жесткий диск.

• Блок питания.

• Порты ввода-вывода.

Основным элементом является материнская плата.

На системной плате располагаются следующие элементы:

• микропроцессор;

• сопроцессор (компьютер может работать и без него);

• платы оперативной памяти;

• микросхемы быстрой памяти (КЭШ);

• микросхема базовой системы ввода-вывода (BIOS);

• контролеры (платы расширения), управляющие различными устройствами (дисководами, монитором, мышкой, клавиатурой и т.д.).

В тех случаях, когда на компьютере приходится выполнять много математических вычислений, желательно, чтобы математические операции поддерживались аппаратно. Но, микропроцессоры типа Intel 8088, 80286, 80386, 80486SX не обеспечивают такую поддержку, поэтому к ним для этого требуется добавить математический сопроцессор, который помогает основному микропроцессору выполнять математические операции.

Системна шина.

Системна шина – это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина включает в себя :

• Кодовую шину данных- содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов числового кода.

• Кодовая шина адреса - содержит провода и схемы сопряжения для параллельной передачи всех разрядов кода адреса ячейки основной памяти или порта ввода- вывода внешнего устройства.

• Кодовая шина инструкций - содержит провода и схемы сопряжения для передачи инструкций (управляющих символов, импульсов) во все блоки машины.

• Шина питания - содержит провода и схемы сопряжения для подключения блоков ПК системе энергопитания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

• Между микропроцессором и основной памятью.

• Между микропроцессором и портами ввода- вывода внешних устройств

• Между основной памятью и портами ввода- вывода внешних устройств.

Управление системной шиной осуществляется микропроцессором либо контроллером шины, формирующим основные сигналы управления. Обмен информацией между внешними устройствами и системной шиной выполняется с использованием ASCII- кодов.

ПЗУ, ОЗУ, FLASH – память.

В системном блоке системная плата (материнская) служит для размещения основных компонентов памяти. ПЗУ, ОЗУ, FLASH – память- входят в эти компоненты.

Основная память компьютера содержит оперативное и постоянное запоминающие устройства.

Оперативное запоминающее устройства предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующих в вычислительном процессе на текущем этапе функционирования ПК. Служит для временного хранения хранения этих данных После отключения питания ЭВМ информация в ОЗУ не сохраняется- это энергозависимая память.Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеры) , где запись и считывание информации осуществляется подачей электрических импульсов.

Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных микросхем типа : SIMM и DIMM, их контактные разъемы соответствуют разъемам на материнской плате компьютера ( ёмкость модуля может быть 1, 4, 4, 16, 32 Мбайта). На материнскую плату можно устанавливать несколько модулей. В основной или оперативной памяти хранятся исполняемые программы и обрабатываемые данные. Содержимое основной памяти теряется при отключении питания, перезагрузки операционной системы. Вследствие этого возникает необходимость в средствах длительного хранения информации. В современных компьютерах чаще всего для длительного хранения информации использует магнитные диски различных типов и емкости. Содержимое внешней памяти может быть перенесено в основную память для выполнения конкретного задания. Когда одно задание выполнено, основная память может быть загружена новой порцией информации.

Постоянное запоминающее устройство также строится на основе установленных на материнской плате модулей (кассет) и используется для хранения неизменяемой информации: загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера (BIOS), управление периферийными устройствами и др. Из ПЗУ можно только считывать информацию, запись информации в ПЗУ осуществляется только в лабораторных условиях. ПЗУ – энергонезависимое запоминающее устройство.

Ёмкость ПЗУ на один –два порядка меньше ёмкости ОЗУ. Постоянное запоминающее устройство (ROM) – энергонезависимое запоминающее устройство, реализованное в виде микросхемы и используемое для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения: содержимое памяти "зашивается" в устройство при его изготовлении для постоянного хранения. Из ROM можно только считывать данные, однако, выборка информации из ячеек может осуществляться в любом порядке. Программы и данные хранящиеся в ROM предназначены для постоянного использования процессором.

Кэш –память (регистровая)- высокоскоростная память сравнительно большой ёмкости. Она используется для ускорения работы процессора с оперативной памятью.

Рассмотрим эту связь:

Когда процессор записывает в основную память в байт. Этот байт и его адрес заносится одновременно и в кэш-память. Всякий раз, когда процессор намерен прочитать некоторый байт , сначала проводится анализ: есть ли байт с этим адресом в быстрой кэш –памяти. Если он там есть , то происходит чтение из кэш-памяти, если нет, то байт копируется из основной памяти в кэш –память и одновременно передается процессору. Применение кэш- памяти повышает производительность компьютера в несколько раз. Информация в кэш-память записывается аппаратными средствами автоматически. (Для Pentium обычно кэш-память 256 Кбайт).

BIOS-представляет собой программу – первую из программ, с которой начинает работать ваш компьютер непосредственно после его включения.

Расшифровка аббревиатуры - Basic Input – Output System- Базовая Система Ввода-Вывода. Точнее - система контроля и управления подключенными к компьютеру устройствами.

Находится в постоянной памяти, которая входит в комплект поставки персонального компьютера. Операционная система может изменяться на компьютере, а BIOS остаётся постоянным.

Поэтому BIOS, являясь неизменной частью персонального компьютера, с одной стороны, может рассматриваться как компонент аппаратной части, а с другой стороны, как компонент любой операционной системы.

BIOS- это первый и самый важный из мостиков связывающий между собой “аппаратную” и “программную” часть компьютера. Случилась неполадка и компьютер даже не загрузится.

В BIOS заложены основные параметры , необходимые компьютеру для того, чтобы правильно распознать такие устройства , как жесткий диск, на котором хранится вся информация, оперативная память- сколько её , какого она типа. Также в BIOS хранятся часы и календарь реального времени (не останавливаются даже после отключения компьютера).

BIOS находится не на жестком диске, а на материнской плате в виде отдельной микросхемы с автономным питанием от специальной круглой батарейки- как на часах.

Основные функции - управление стандартными внешними устройствами, входящими в комплект персонального компьютера конкретной модели т.е. дисплеем, клавиатурой, дисководами, принтером, таймером.

На многих дешевых материнских платах BIOS вмонтирован в свой домик- микросхему без возможности его обновления. Так программа становится не программой , а лишь неотъемлемой частьюжелеза. Если же на плате установлена микросхема BIOS с возможностями перезаписи, то проблема решается простой перезаписью новой версии BIOS. Вспомогательные функции - реализуются на этапе загрузки компьютера и состоят в следующем:

Поиск сначала на гибком а потом на жестком диске программы –загрузчика операционной системы и загрузка в оперативную память

Устройства внешней памяти можно квалифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, по принципу записи считывания информации, методу доступа и т.д.

Носитель - материальный объект, способный хранить информацию.

Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом – это означает, что ПК может обратиться к дорожке , на которой начинается участок с искомой информацией или куда нужно записать новую информацию .

Структура диска: в качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы , позволяющие фиксировать два магнитных состояния , два направления намагниченности . Каждому состоянию ставится в соответствие двоичные цифры – 0 и 1. Диски бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в ПК. Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисковод.

Информация на магнитный диск записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек. Количество дорожек и их информационная ёмкость зависят от типа, конструкции и качества магнитного покрытия магнитного диска.

Каждая дорожка разбита на сектора, в одном секторе обычно 512 байт данных. Обмен данными между диском и оперативной памятью осуществляется последовательно числом секторов. Одно или несколько смежных секторов дорожки - кластер.

При записи и чтении информации диск вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подводит ее к дорожке, выбранной для записи и чтения информации.

Вследствие большого разнообразия внешних запоминающих устройств, они сильно отличаются по времени выборки доступа к хранимой информации, ее объему, который может храниться в данном устройстве, удельной стоимости хранения одинакового объема информации. Все запоминающие устройства хранят данные как последовательности битов, мельчайших элементов информации, распознаваемых компьютером. Бит подобен электрической лампочке: он либо включен, либо выключен. Когда бит включен (установлен) его величина равна 1. Когда бит выключен (сброшен) его величина равна 0. Последовательность из восьми битов составляет байт.

В персональном компьютере, как правило, используется несколько видов запоминающих устройств, различающихся по способу хранения информации, т.е. битов и байтов. Важнейшими из них являются магнитные и оптические.

Магнитными устройствами являются накопители на гибких магнитных дисках, накопители на жестких магнитных дисках, накопители на магнитной ленте.

Накопитель (дисковод) на гибких магнитных дисках - устройство для чтения и записи гибких магнитных дисков (флоппи-дисков, дискет). Дискеты являются съемными носителями, т.е. один дисковод может множество дискет. Дискета вводится в механизм через цель, которая обычно закрыта откидной заслонкой. Позиционирования и фиксация дискеты производится автоматически, после чего она раскручивается. Контактирование головок чтения/записи с дискетой производится через прорезь в конверте. Накопитель на дискетах был впервые разработан в фирме IBM как устройство загрузки диагностического программного обеспечения.

Накопитель на жестких магнитных дисках (винчестер) - устройство для чтения/записи несъемных жестких дисков (речь идет о современном варианте). Таким образом, запоминающее устройство и носитель информации представляют собой неделимое целое. Понятие "несъемный" вовсе не означает, что такой накопитель нельзя вынуть из компьютера, просто сами диски не вынимается из накопителя. Накопители на жестких магнитных дисках получили такое наименование благодаря жесткости дисковых пластин.

Накопитель на магнитной ленте (стример) - это устройство для быстрой перезаписи данных с жесткого диска на магнитную ленту. Стримеры работают со съемными носителями. Недостаток стримеров связан с последовательным доступом к магнитным лентам, что влечет большое время доступа к данным и недостаточную надежность, порождаемую повышенными механическими нагрузками.

Оптическим устройствам является оптическое запоминающее устройство для чтения CD ROM . Накопители любой природы также называются дисководами. Приводы CD-ROM являются разновидностью устройств, используемых для проигрывания компакт-дисков. К сожалению, их механизм позволяет только читать данные, но не записывать их. (ROM означает память, предназначенную только для чтения). Однако уже существует технология записи на компакт-диски. Благодаря большой емкости компакт-диска (свыше 600 MB), приводы CD-ROM являются превосходными носителями для больших программных продуктов, особенно мультимедийных. Главным отличием CD-ROM от накопителей на магнитных дисках является то, что для чтения информации они используют свет, а не магнитные поля.

Жесткий магнитный диск (винчестр) - сам носитель информации представляет собой несколько пластин, нанизанных на стержень, называемый шпинделем и приводимый во вращение мотором. Мотор вращает дисковые пластины с постоянной скоростью, которая составляет обычно 3600, 4500, 5400 и 7400 оборотов в минуту. Во время работы диска головки никогда не касаются поверхности пластины. Они "летят" над поверхностью на воздушной подушке тоньше волоса. Жесткий диск герметически запечатан, потому что даже мельчайшие частицы пыли, попавшие между головкой и поверхностью диска, могут повредить его и привести к потере данных, соскоблив магнитные частицы. Жесткие диски называют "винчестер" из-за особенностей маркировки его емкости, подобно калибру охотничьего ружья "Винчестер". Стандартная емкость современного винчестера - 4 Гб (гигабайт).

Магнитная лента наматывается на бобины (катушки) или находится в кассете. Магнитная лента стала использоваться в работе на компьютерах в 50-х годах, когда она была уже широко распространена в звукозаписи и измерительной технике.

CD ROM (оптический, лазерный диски, компакт-диск) - поверхность компакт-диска (тонкая алюминиевая пленка или фольга, защищенная пластиковым покрытием) содержит последовательность микроскопических площадок и углублений. Площадка отражает лазерный луч, обозначая высокое состояние (1) бита, а углубление рассеивает свет, обозначая низкое состояние (0) бита.

Периферийные устройства.

Клавиатура реализует диалоговое или интерактивное взаимодействие пользователя с компьютером для достижения следующих целей:

• ввод команд пользователя, обеспечивающих доступ к ресурсам компьютера;

• создание, редактирование и отладку программного обеспечения;

• взаимодействие с выполняемой программой, когда требуется ввод данных и команд, для управления этой программой.

Клавиатура современных компьютеров является настраиваемой на пользовательском уровне. Настраиваемыми параметрами являются:

• интервал времени после нажатия клавиши перед началом повтора символа;

• скорость повтора автоматически вводимых символов;

• скорость мерцания курсора;

• установленные языки и раскладки клавиатуры.

Функция настройки клавиатуры относятся к системной, и может быть недоступной для пользователей корпоративных компьютеров.

Клавиатура состоит их нескольких множеств клавиш:

• базовую центральную часть клавиатуры образуют клавиши, используемые для ввода символов алфавитов, применяемых для записи различных языков, например английского и русского; служебные символы (% ^ ? * ( ) ~ \ / | и др.) и цифровые клавиши;

• навигационная клавиатура, с помощью которой осуществляется перемещение курсора

• в большинстве моделей клавиатур имеется дополнительная клавиатура, допускающая два режима работы, как навигационной и как цифровой, переключение между которыми происходит по нажатии клавиши Num Lock.

• функциональные клавиши F1-F12, действие которых может изменяться, т.е. программироваться по-разному в различных программах. Однако существует ряд правил по их использованию, например клавиша F1, как правило, используется для получения справки по используемой программе.

• функциональные клавиши, инициирующие и прерывающие выполнение команд и программ:

• Enter - активизация некоторого программы или команды;

• Esc - отмена, прерывание какого либо программы или команды;

• Pause Break - приостановка/прерывание текущего процесса.

• функциональные клавиши Shift, Alt, Ctrl , действующие при одновременном нажатии других клавиш, что позволяет связать с ними несколько различных действий, например одновременное нажатие клавиш Ctrl и PgUp вызывает перемещение курсора в начало файла.

• клавиша Caps Lock - фиксирование верхнего регистра, по аналогии с печатной машинкой.

Для ввода графической информации используют сканеры, графические планшеты (дигитайзеры) , цифровые фотокамеры, цифровые видеокамеры.

Сканеры предназначены для оцифровки информации, представленной в графическом виде. Сканеры бывают следующих типов: планшетные, ручные, барабанные. Основными характеристиками сканеров являются разрешающая способность; производительность; максимальный размер сканируемого материала. Сканеры также используют для ввода текстовой информации. Введенные при помощи сканера данные обрабатываются специальными программами и сохраняются в специальных форматах, которые пригодны для обработки с помощью специального прикладного программного обеспечения.

Дигитайзеры предназначены для оцифровки имеющего графического материала, например, оцифровка карт местности, или оцифровка результатов испытаний некоторого объекта, представленных в виде графиков.

Цифровые фото- и видеокамеры позволяют оцифровывать информацию об окружающем мире в форму, пригодную для обработки на компьютерах. Оцифрованная информация заносится в память этих устройств на специальные носители, а затем переносится на компьютер для редактирования и долговременного хранения.

Устройства отображения.

Мониторы - устройства визуального отображения данных во время работы программ. Различают дисплеи: алфавитно-цифровые и графические; монохромные и цветные. Однако современные мониторы являются графическими цветными.

Основными потребительскими параметрами являются: размер, разрешающая способность, количество поддерживаемых цветов, максимальная частота регенерации изображения, класс защиты

Размер монитора измеряется его диагональю в дюймах. Стандартные размеры 14"; 15"; 17";19";20";21". Наиболее употребимыми являются мониторы размер 15 и17 дюймов. Для работы с графикой предпочтительны мониторы размером 19-21 дюйм.

Разрешающая способность задается числом точек (пикселов) по горизонтали и число точечных строк по вертикали, например 1024* 1024 иди 2048* 2048.

Количество поддерживаемых цветов зависит от количества пикселов объема растровой памяти ( bit mapping) . Каждый пиксел на экране формируется из фрагмента растровой памяти, например, 1 бит (монохромное изображение), 8 бит (в оттенках серого), 8 или16 бит (цветное), 24 или 32 бит (истинное цветное). Информация, записанная в указанных битах, управляет атрибутами пиксела (например, яркостью, миганием и др.).

Максимальная частота регенерации изображения или частота кадров показывает, сколько раз в секунду монитор может полностью сменить изображение. Чем выше эта частота, тем четче и устойчивее изображение. На сегодняшний день частота 75 M Гц является минимально, 85 M Гц - нормативным и 100 M Гц комфортной.

Класс защиты монитора определяется стандартом, которому соответствует монитор с точки зрения требований техники безопасности. Эргономическими характеристиками монитора являются: яркость, конрастность, мерцание, антибликовые свойства покрытия. Наиболее жестким международным стандартом является стандарт TCO-99.

Устройства вывода данных.

Основными устройствами вывода данных являются принтеры (печатающие устройства) и плоттеры (графопостроители).

Принтеры являются наиболее развитой группой ВУ ПК, насчитывающей до 1000 различных модификаций. Принтеры разнятся между собой по различным признакам:

• цветность (черно-белые и цветные);

• способ формирования символов (знакопечатающие и знакосинтезирующие);

• принцип действия (матричные, термические, струйные, лазерные);

• способы печати (ударные, безударные) и формирования строк (последовательные, параллельные);

• ширина каретки (с широкой (375-450 мм) и узкой (250 мм) кареткой);

• длина печатной строки (80 и 132-136 символов);

• набор символов (вплоть до полного набора символов ASCII);

• скорость печати;

• разрешающая способность, наиболее употребительной единицей измерения является dpi (dots per inch) – количество точек на дюйм.

Существует много типов устройств, отличающихся по способу, скорости к качеству печати. В самом общем виде, назначение принтеров состоит в переносе неосязаемой электронной информации осязаемый бумажный или еще какой носитель с помощью красящего вещества. Носитель красящего вещества для принтера называется картридж. Технология этого переноса может иметь механическую или иную природу, соответственно принтеры называют ударными печатающими устройствами или безударными печатающими устройствами. Основными видами ударных печатающих устройств являются барабанные и матричные принтеры. Основными видами безударных печатающих устройств являются лазерные и струйные.

Барабанные принтеры или алфавитно-цифровые печатающие устройства были широко распространены на компьютерах вплоть до конца 80-х годов. В настоящее время используются ограниченно для вывода очень больших объемов информации. Символы выгравированы на барабане, поэтому принтеры этого типа имеют ограниченное количество символов. Для вывода информации используется специальная перфорированная бумага. Картридж представляет собой красящее полотно из нетканого материала которое натягивается на барабан. Для вывода информации используется только специальная перфорированная бумага.

Матричные принтеры являются простейшими печатающими устройствами. Данные выводятся на бумагу с помощью точечной матрицы в виде оттиска, образующего при ударе иголок этой матрицы через красящую ленту. Наибольшее распространение имеют 9-игольчатые и 24-игольчатые матричные принтеры. Напечатанные символы обычно имеют пустые участки и зазубрины по краям, а в целом, качество печати на матричных принтерах сравнимо с печатной машинкой. Картридж представляет собой пластмассовую коробочку в которой специальным образом (часто в форме листа Мебиуса) сложена замкнутая красящая лента, подобно тем, которые используются на печатных машинках. Печать может осуществляться как на отдельные листы, так и на перфорированную бумагу.

Лазерные принтеры обеспечивают высокое качество печати, сравнимое с полиграфическим. Вывод данных может идти на бумагу или на специальные прозрачные листы, предназначенные для организации презентаций. Качество печати высокое и пригодно для изготовления оргинал-макетов книг. Картридж представляет пластиковый контейнер, заполненный специальным порошком. Вывод идет только на листовые носители различных форматов (A3, A4 и др.).

Струйные принтеры выводят данные на бумагу с помощью пятен, образующихся при попадании капель красителя на бумагу. Выброс микрокапель происходит по давлением. которое образуется в печатающей головке за счет парообразования. Качество печати зависит от вязкостных свойств красителя и впитывающих свойств бумаги. Основной недостаток струйных принтеров состоит в нестабильном качестве получаемого разрешения, однако они могут обеспечивать качество цветных отпечатков достижимое с помощью фотохимических методов. Картридж представляет собой как бы электронную чернильницу, сравнимую по размерам с обычной чернильницей. Для вывода используется листовая бумага. Достижение высокого качество возможно только при использовании специальной бумаги для конкретного типа принтера.

Графопостроители (плоттеры) предназначены для вывода графических данных, например, для вывода чертежей. Различают рисующие и режущие плоттеры. В первом случае вывод идет на бумагу с применением перьев (специальных фломастеров), а во втором допустимый технологический материал с применением специального режущего инструмента. По конструкции плоттеры бывают планшетные и рулонные. В планшетных плоттерах материал, на который идет вывод фиксируется на плоском столе, а перья перемещаются в двух направлениях - по осям X и Y . В рулонных принтерах используется только бумага, которая перемещается в вертикальном направлении, а перья в горизонтальном. Более высокое качество вывода графической информации обеспечивают планшетные плоттеры.

Устройства позиционирования.

Общение с современными компьютерами строится с использованием ряда устройств позиционирования или манипуляторов. Рассмотрим основные виды.

Манипулятор “Мышь” представляет собой небольшую коробочку с двумя или тремя клавишами и утопленным свободно вращающимся шариком в его нижней части. Пользователь перемещая мышь по поверхности стола позиционирует указатель мыши на экране и нажатием клавиш может выполнять определенные действия. Например, в Windows 95/NT нажатие правой клавиши вызывает контекстное меню.

Трекбол – в отличие от мыши устанавливается стационарно, и его шарик приводится в движенье ладонью руки. Преимущество трекбола состоит в том, что он не нуждаются в гладкой рабочей поверхности, потому трекболы нашли широкое применение в портативных персональных компьютерах.

Пенмаус – по внешнему виду похож на шариковую ручку, у которой вместо пишущего узла находится регистратор величину перемещения этого устройства.

Инфракрасная мышь – отличается от обычной наличием устройства беспроводной связи с системным блоком.

Джойстик представляет собой подвижную рукоять с одной или двумя кнопками, аналогичных по действию к клавишами мыши. Джойстик применяется для компьютерных игр и в некоторых специализированных имитаторах.

Конструктивное исполнение персонального компьютера

Персональный компьютер включает несколько основных устройств: системный блок, клавиатуру, монитор, манипулятор "мышь". Для расширения функциональных возможностей компьютера можно подключить дополнительные периферийные устройства.

Системный блок содержит всю электронную часть компьютера, блок питания, устройства для хранения информации. Внутри системного блока расположены процессор, оперативная память, накопители на магнитных дисках, CD-ROM.

Периферийные устройства подсоединяются к системному блоку с помощью кабелей через специальные гнезда (разъемы), которые размещаются обычно на задней стенке системного блока.

Лекция 11. Программное обеспечение

Программное обеспечение – это общий термин для обозначения "неосязаемых" в отличие от физических, составных частей компьютерной системы. Термин охватывает как программы в символической записи, так и исполняемые формы этих программ.

Программное обеспечение можно разделить на группы:

• системное программное обеспечение (СПО)

• прикладное программное обеспечение (ППО)

• системы программирования.

1.Системное программное обеспечение — предназначены для эксплу­атации и технического обслуживания ЭВМ, управле­ния и организации вычислительного процесса при ре­шении любой конкретной задачи на ЭВМ и т. д.

СПО управляет ресурсами компьютерной системы и позволяет пользователям программировать в более выразительных языках, чем машинных язык компьютера. Состав СПО мало зависит от характера решаемых задач пользователя.

СПО:

• Операционные системы.

• Оболочки операционных систем.

• Драйверы устройств.

• Программы-утилиты.

• Антивирусные программы.

• Обслуживающие программы.

Операционные системы.

Основное назначение ЭВМ и, в частности, ПЭВМ — выполнение двух видов работ:

• работа с программой (решение задачи с помощью программы);

• изготовление программы.

Операционная система (ОС) — это комплекс про­грамм, предназначенный для наиболее эффективного использования всех средств ЭВМ в процессе решения задачи, для повышения удобства работы с ней. Операци­онная система поставляется вместе с ЭВМ. Работа совре­менной ЭВМ без нее невозможна.

Если говорить об операционной системе ПЭВМ, то следует выделить две основные задачи, решаемые ею.

Первая задача —организация связи, общения чело­века-пользователя с ПЭВМ в целом и с отдельными ее устройствами — устройствами печати, внешней памяти и т. д., в частности, выполнение по требованию пользо­вателя именно тех операций над программой в целом, о которых шла речь выше.

Общение с ПЭВМ обеспечивается с помощью систем­ных команд. Каждая команда представляет собой краткое предписание, определяющее, какую операцию и над каким объектом (программой, файлом) ОС должна выполнить.

Вторая задача — организация взаимодействия всех блоков ПЭВМ в процессе выполнения программы, и в частности:

— размещение в ОЗУ данных и результатов решения задачи;

— при использовании в программе файлов данных — размещение их на диске в соответствии с требова­нием программы и т. д.;.

— своевременное включение различных блоков и ус­тройств ПЭВМ по требованию программы и пр.

Основные функции ОС:

— создание и ведение библиотеки данных и программ (файловой системы);

— связь ПЭВМ с внешними устройствами;

— организация общения пользователя с ПЭВМ.

Для каждого типа ПЭВМ используется своя операци­онная система. На ПЭВМ одного типа может применять­ся несколько видов ОС, различающихся своими возмож­ностями, степенью удобства общения с пользователем, способами реализации своих функций и т. д.

Так, с отечественной ПЭВМ КОРВЕТ работает ОС СР/М, с ПЭВМ ДВК-3 работают системы ОСДВК, РАФОС, с УКНЦ — ФОДОС-2 и пр. С ПЭВМ фирмы IBM — опера­ционные системы MS-DOS, UNIX, OS/2, а также ОС оте­чественного производства, полностью совместимая с MS-DOS 5.0 и во многом ее превосходящая — RTS DOS, и, наконец. Windows 95.

Примеры ОС: MS DOS, Windows NT, Windows 2000….

Операционная система дает только минимальные воз­можности для управления различными устройствами. Чтобы расширить эти возможности для каждого устрой­ства, пишется отдельная программа, которую называют драйвером.

Так, программа, управляющая работой мыши, назы­вается драйвером мыши; программа, управляющая ра­ботой сканера, называется драйвером сканера и т. д.

Особо надо отметить драйверы клавиатур. В связи с тем, что клавиатуры выпускаются для латинского алфа­вита, пользователю, для использования других алфави­тов, в частности, кириллицы, приходится пользоваться дополнительными драйверами.

Как работает драйвер русифицированной клавиату­ры? Для этого надо посмотреть, как компьютер работает с символами — буквами, цифрами и т. д.

При загрузке операционной системы в оперативную память ПЭВМ загружается таблица символов, используе­мых в машине. В этой таблице каждому символу соответ­ствует числовой код. В ПЭВМ зарубежного производства подобная таблица символов кириллицы не содержит.

Драйвер русской клавиатуры вместо некоторых стандартных символов (обычно символов псевдографи­ки) загружает символы кириллицы.

Программы-утилиты.

К системным программам можно также отнести боль­шое количество так называемых утилит, т. е. программ вспомогательного назначения. Утилиты часто объединя­ются в комплексы. Одним из наиболее популярных ком­плексов является Norton Utilities.

Это очень мощный комплекс, он включает в себя про­граммы для оптимизации дисков, программы для авто­номной печати, программы для управления памятью и множество других полезных программ.

Одной из наиболее важных программ, входящих в пакет Norton Utilities, является программа NDD (Norton Disk Doctor). С помощью этой программы можно тестировать диск на правильность его логической систе­мы, выявлять наличие «обойных» секторов на поверх­ности диска и производить многие другие операции.

Пользователю настойчиво рекомендуется освоить дан­ную программу как одну из наиболее продуктивных при работе с дисками ПЭВМ.

Антивирусные программы.

Что такое вирус? По определению доктора Е. В. Касперского — «компьютерным вирусом называется про­грамма, которая может создавать свои копии (не обяза­тельно полностью совпадающие с оригиналом) и внед­рять их в файлы, системные области компьютера, вы­числительные сети и т. д. При этом копии сохраняют способность дальнейшего распространения». Подобные программы-вирусы создаются программистами-злоумыш­ленниками.

Вирус искажает текст программы, в результате чего она может стать совершенно не работоспособной. Вирус может «заражать» программу, такая программа способна передавать вирус другим программам и ЭВМ. Борьба с вирусом зараженной ПЭВМ нередко требует очень больших затрат времени. Для эффективной борьбы с многочисленными вирусами создаются антивирусные программы. Приведем некоторые виды этих программ:

Программы-детекторы. — Обнаруживают файлы, за­раженные одним из нескольких известных вирусов.

Программы-доктора, или фаги — «лечат» программы, восстанавливая их первоначальный вид и удаляя при этом из них вирус.

Программы-фильтры — перехватывают обращения вирусами к операционной системе, используемые для раз­множения и нанесения вреда, и сообщают о них пользовате­лю.

Разработка антивирусных программ требует профес­сиональных знаний и навыков.

К наиболее известным антивирусным программам относятся периодически обновляемые и дополняемые i программы AIDSTEST и DRWEB («Доктор ВЕБ»).

Трансляторы.

Трансляторы предназначены для преобразования программ, написанных на языках программирования, в программы на машинном языке.

Программа, подготовленная на каком-либо языке программирования, называется исходным модулем.

Программа может состоять их одного или нескольких исходных модулей, которые могут быть написаны на одном или нескольких языках программирования.

В ходе трансляции по указанию программиста транслятор может формировать в отдельном выходном последовательном наборе данных листинг и диагностические сообщения для последующей выдачи на дисплей или на принтер.

Компиляторы переводят весь исходный модуль на машинный язык.

Интерпретатор последовательно переводит на машинный язык и выполнят операторы исходного модуля.У интерпретаторов два основных недостатка. Первый – низкая скорость работы интерпретируемых программ.

Преимущество интерпретатора перед компилятором состоит в том, что программа пользователя имеет одно представление – в виде текста. При компиляции одна и та же программа имеет несколько представлений – в виде текста и в виде выполняемого файла.

Редакторы связей.

Редактор связей – системная обрабатывающая программа, редактирующая и объединяющая объектные модули, полученные в результате работы транслятора, в единые загрузочные, готовые к выполнению программные модули.

Загрузочный модуль может быть помещен ОС в основную память и выполнен. Загрузочный модуль компонуется из одной или нескольких программных секций – перемещаемых частей программы.

Загрузчики.

Загрузчик –системная обрабатывающая программа, объединяющая основные функции редактора связей и программы выборки в одном пункте задания. Загрузчик помещает находящиеся в его входном наборе данных объектные и загрузочные модули в оперативную память, объединяет их в единую программу, корректирует перемещаемые адресные константы с учетом фактического адреса загрузки и передает управление в точку входа созданной программы.

2. Прикладное программное обеспечение – помогает конечным пользователям в выполнении различных функций. Специализированные комплексы программ называют пакетами прикладных программ.

Некоторое из ППО носит более общую природу и разрабатываются, а затем продаются и покупаются как пакет.

Пакеты можно разделить на два больших класса: интегрированные (или полносвязанные) пакеты и проблемно-ориентированные пакеты.

Интегрированные пакеты программ составляют немногочисленную группу программных продуктов.

Основное свойство: стандартный пользовательский и программный интерфейс к каждой компонентой (программой) пакета; легкий перенос данных между его компонентами.

Современный интегрированный пакет включает:

• текстовый процессор;

• электронные таблицы;

• средства презентаций;

• систему управления базами данных;

• средства работы с графикой;

• телекоммуникационные средства.

Типичным примером интегрированного пакета прикладных программ является пакет Microsoft Office, работающий в среде Windows и включающий следующие компоненты:

• текстовый процессор – Microsoft Word;

• электронные таблицы – Microsoft Excel;

• средства презентаций – Microsoft Power Point;

• систему управления базами данных – Microsoft Access;

• средства работы с графикой- Microsoft Photo Editor;

• телекоммуникационные средства – Microsoft Outlook.

Значительная часть технических задач связана с применением компьютеров в качестве гибкого устройства управления оборудованием и в качестве устройства для контроля состояния аппаратуры и исследования процессов. При этом компьютер становится необъемлемой частью прибора, станка, управляющей системы и т.д.

Методы обработки и анализ экспериментальных данных столь же разнообразны, как и области применения компьютеров, и их специфика в значительной степени определяется решаемой задачей. Несмотря на огромное разнообразие методов анализа данных, можно выделить несколько основных групп методов:

• представление данных;

• изменение параметров сигналов;

• предварительная обработка и фильтрация;

• спектральных анализ и идентификация процессов;

• классификация, статистических анализ;

• математические расчеты.

Пример. Система автоматизированной разработки чертежей – AutoCAD.

Экспертные системы.

Операции, которые выполняет экспертная система, относятся к автоматизации логических выводов. В настоящее время известно несколько принципов построения экспертных систем: системы, основанные на правилах, и системы, использующие глубинные преобразования. С помощью таких систем можно делать на основе набора правил логические выводы, причем. Если системе не будет хватать информации для вывода, она будет запрашивать ее у пользователя.

В инженерных и технических приложениях, разведке полезных ископаемых экспертные системы, основанные на правилах зарекомендовали себя очень хорошо. Это связано с тем, что для принятия решений в этих областях часто требуются большие, но достаточно четник наборы формальных правил, с которыми компьютер справляется лучше человека.

3.Системы программирования

Системы программирования (мы уже упоминали о них во введении) — это комплексы программ и прочих средств, предназначенных каждый для разработки и эк­сплуатации программ на конкретном языке программи­рования для конкретного вида ЭВМ (ПЭВМ).

Система программирования обычно включает неко­торую версию языка программирования, транслятор про­грамм, представленный на этом языке, и т. д.

Далее в пособии будут рассматриваться подобные сис­темы — QBASIC и FOXPRO.

С каждой системой программирования связан неко­торый язык программирования, поэтому скажем несколь­ко слов о языках.

Язык программирования — это инструмент для со­здания компьютерных программ. Из большого количес­тва языков можно выделить три, наиболее распростра­ненных в настоящее время:

— изначально профессиональный язык СИ (С), ис­пользуемый в первую очередь для разработки сис­темных программ;

— язык ПАСКАЛЬ (PASCAL), широко применяемый для разработки прикладных программ;

— язык для начинающих программистов — БЕЙСИК (BASIC).

Отладчики.

Отладчик позволяет управлять процессом исполнения программы, являясь тем самым инструментом для поиска и исправления ошибок в программе. Базовый набор функция отладчика включает: пошаговое выполнение программы, остановка в заранее определенных точках, возможность остановки в некотором месте программы при выполнении некоторого условия; изображение и изменение значений переменных.

Ассемблеры.

Язык ассемблера относится к классу машинно-ориентированных языков. Машинно-ориентированным языком называется язык программирования, отражающий структуры архитектуре компьютера, а соответственно, уровень абстракции программы на ассемблере соответствует архитектуре компьютера. Каждой команде машинно-ориентированного языка соответствует команда компьютера.

Язык ассемблера применяется в системном программировании. Ассемблер позволяет разрабатывать наиболее эффективные программы, посколку наиболее полно использует имеющиеся технические возможности компьютера.

4. Прочие виды программ.

Обучающие и учебные программы

После появления персональных ЭВМ в обществе поя­вилась идея создания электронной школы, где роль учи­теля будет играть ЭВМ, оснащенная обучающими и кон­тролирующими программами.

Предполагалось, что подобные программы полностью заменят живого учителя и наступит эра школьного или даже домашнего компьютерного образования.

Однако опыт использования персональных ЭВМ в школе показал, что какими бы хорошими и качествен­ными программами ни оснащался учебный процесс, уча­щиеся, проработав длительное время с компьютером, без учителя, с большим удовольствием шли на уроки с учи­телем. Поэтому в настоящее время обучающие програм­мы используются только как дополнение к обычному «живому» учебному процессу или для самообразования.

Игры.

Игровые программы создавались уже для самых пер­вых персональных ЭВМ и привлекли к ним молодое по­коление пользователей. К настоящему времени создано огромное количество игровых программ, многие из них занимают такой большой объем памяти и имеют такую богатую графику, что пользоваться ими можно только с помощью компакт-дисков.

Следует сказать, что сейчас уже заметно ощущается вредное влияние подобных игр. Многие игры имеют на­столько богатое, красочное оформление, в них настоль­ко силен «эффект присутствия», что их притягательная сила заставляет массу молодых людей проводить долгие часы за компьютером, в ущерб своему здоровью, учебе, умственному (да и физическому) развитию. Даже появи­лось выражение — «раньше люди изобретали, чтобы эко­номить время, а затем изобрели компьютерные игры».

Мультимедиа.

Мультимедиа — это способ использования ПЭВМ с применением всех доступных средств: стереозвука, го­лосового сопровождения, видеоизображения, мультипли­кации.

Иначе говоря, мультимедиа — средство объединения цифровой и текстовой информации ЭВМ со звуковыми сигналами и видеосигналами, которые могут как воспро­изводиться, так и обрабатываться под управлением ПЭВМ.

Мультимедийный компьютер включает в себя звуко­вую стереоплату, плату для работы с видеомагнитофо­ном или видеокамерой, дисковод для работы с CD-ROM, звуковые стереоколонки, микрофон.

Обычно применение мультимедиа связывают лишь с компьютерными играми, но это неверно. Мультимедиа может использоваться в самых различных сферах дея­тельности.

Навигация по файловой системе.

Удобство навигации, т.е перехода от файла к файлу или от папки к папке часто воспринимают как удобство работы с операционной системой. В операционной системах, имеющих терминальный интерфейс, навигация осуществляется путем ввода команд перехода с диска на диск или из каталога (папки) в каталог (папку). Из-за неудобства такой навигации, широкое применение нашли специальные программы, называемые файловыми оболочками. Наиболее известной файловой оболочкой для MS-DOS является Norton Commander.

В операционной системе Windows навигация по файловой системе осуществляется с помощью программы Explorer (Проводник).

Лекция 12. Компьютерные вирусы

Массовое применение персональных компьютеров оказалось связанным с появлением самовоспроизводящихся программ-вирусов, препятствующих нормальной ра-боте компьютера, разрушающих файловую структуру дисков и наносящих ущерб хранимой в компьютере информации. Проникнув в один компьютер, компьютерный вирус способен распространиться на другие компьютеры.

Компьютерным вирусом называется специально написанная программа, способная самопроизвольно присоединяться к другим программам, созда­вать свои копии и внедрять их в файлы, системные области компьютера и в вычислительные сети с целью нарушения работы программ, порчи файлов и каталогов, создания всевозможных помех в работе на компьютере.

Причины появления и распространения компьютерных вирусов, с одной стороны, скрываются в психологии человеческой личности и ее теневых сторонах (зависти, мести, тщеславии непризнанных творцов, невозможности конструктивно применить свои способ­ности), с другой стороны, обусловлены отсутствием аппаратных средств защиты и противо­действия со стороны операционной системы персонального компьютера.

Несмотря на принятые во многих странах законы о борьбе с компьютерными преступ­лениями и разработку специальных программных средств защиты от вирусов, количество новых программных вирусов постоянно растет. Это требует от пользователя персонального компьютера знаний о природе вирусов, способах заражения вирусами и защиты от них.

Основными путями проникновения вирусов в компьютер являются съемные диски (гибкие и лазерные), а также компьютерные сети. Заражение жесткого диска вирусами может произойти при загрузке компьютера с дискеты, содержащей вирус. Такое заражение может быть и случайным, например, если дискету не вынули из дисковода А: и перезагру­зили компьютер, при этом дискета может и не быть системной.

Зараженный диск — это диск, в загрузочном секторе которого находится программа — вирус.

После запуска программы, содержащей вирус, становится возможным заражение дру­гих файлов. Наиболее часто вирусом заражаются загрузочный сектор диска и исполняемые файлы, имеющие расширения ЕХЕ, СОМ, SYS или ВАТ. Крайне редко заражаются тексто­вые и графические файлы.

Зараженная программа — это программа, содержащая внедренную в неё программу-вирус.

При заражении компьютера вирусом очень важно своевременно его обнаружить. Для этого следует знать об основных признаках проявления вирусов. К ним можно отнести сле­дующие:

• прекращение работы или неправильная работа ранее успешно функционировавших программ;

• медленная работа компьютера;

• невозможность загрузки операционной системы;

• исчезновение файлов и каталогов или искажение их содержимого;

• изменение даты и времени модификации файлов;

• изменение размеров файлов;

• неожиданное значительное увеличение количества файлов на диске;

• существенное уменьшение размера свободной оперативной памяти;

• вывод на экран непредусмотренных сообщений или изображений;

• подача непредусмотренных звуковых сигналов;

• частые зависания и сбои в работе компьютера.

Следует заметить, что вышеперечисленные явления необязательно вызываются при­сутствием вируса, а могут быть следствием других причин. Поэтому всегда затруднена пра­вильная диагностика состояния компьютера.

В настоящее время известно более 5000 программных виру сов, их можно классифициро­вать по следующим признакам:

• среде обитания;

• способу заражения среды обитания; а воздействию;

• особенностям алгоритма.

а) По среде обитания.

Рисунок 18- Классификация.

б) По способу заражения.

.

Рисунок 19- Классификация

в) По степени воздействия.

Рисунок 20- Классификация

г) По особенностям алгоритмов.

Рисунок 21- Классификация

В зависимости от среды обитания вирусы можно разделить на сетевые, файловые, за­грузочные и файлово-загрузочные.

Сетевые вирусы распространяются по различ­ным компьютерным сетям. Файловые вирусы внедряются главным образом в исполняемые модули, т.е. в файлы, имеющие расширения СОМ и ЕХЕ. Файловые вирусы могут внед­ряться и в другие типы файлов, но, как правило, записанные в таких файлах, они никогда не получают управление и, следовательно, теряют способность к размножению.

Загрузоч­ные вирусы внедряются в загрузочный сектор диска (Вооt-сектор) или в сектор, содержащий программу загрузки системного диска (Master Boot Record).

Файлово-загрузочные вирусы заражают как файлы, так и загрузочные сектора дисков.

Макровирусы - это файловые вирусы, использующие особенности файлов документов популярных редакторов и электронных таблиц. В этих файлах размещаются программы на макроязыках, возможности которых позволяют создавать программы – вирусы.

Сетевые вирусы- используют для своего распространения возможности компьютерных сетей (в т.ч. электронной почты).

По способу заражения вирусы делятся на резидентные и нерезидентные.

Рези­дентный вирус при заражении (инфицировании) компьютера оставляет в оператив­ной памяти свою резидентную часть, которая потом перехватывает обращение операционной системы к объектам заражения (файлам, загрузочным секторам дисков и т.п.) и внедряется в них. Резидентные вирусы находятся в памяти и являются активными вплоть до выключения или перезагрузки компьютера.

Нерезидентные вирусы не заража­ют память компьютера и являются активными ограниченное время.

По степени воздействия вирусы можно разделить на следующие виды:

• неопасные, не мешающие работе компьютера, но уменьшающие объем свободной оперативной памяти и памяти на дисках, действия таких вирусов проявляются в каких-либо графических или звуковых эффектах;

• опасные вирусы, которые могут привести к различным нарушениям в работе ком­пьютера;

• очень опасные, воздействие которых может привести к потере программ, уничто­жению данных, стиранию информации в системных областях диска.

По особенностям алгоритма вирусы трудно классифицировать из-за большого разно­образия. Простейшие вирусы — паразитические, они изменяют содержимое файлов и секторов диска и могут быть достаточно легко обнаружены и уничтожены. Можно отме­тить вирусы-репликаторы, называемые червями, которые распространяются по компьютерным сетям, вычисляют адреса сетевых компьютеров и записывают по этим адре­сам свои копии. Известны вирусы-невидимки, называемые стелс-вирусами, которые очень трудно обнаружить и обезвредить, так как они перехватывают обращения операционной системы к пораженным файлам и секторам дисков и подставляют вместо своего тела незараженные участки диска. Наиболее трудно обнаружить вирусы-мутанты, содержащие алгоритмы шифровки-расшифровки, благодаря которым копии одного и того же вируса не имеют ни одной повторяющейся цепочки байтов. Имеются и так называемые квазивирусные или "троянские" программы, которые хотя и не способны к саморас­пространению, но очень опасны, так как, маскируясь под полезную программу, разрушают загрузочный сектор и файловую систему дисков.

Наиболее популярные вирусные модификации:

Вирусы-«черви». Эти вирусы не изменяют программные файлы. Они проникают в память компьютера из компьютерной сети, и вычисляют адреса других компьютеров. Затем в обнаруженные компьютеры расслаются копии вируса.

«Паразитические». Сюда входят вирусы, которые обязательно изменяют программные файлы.

«Студенческие». Обычно это вирусы, которые написаны любителями. Такие вирусы содержат много ошибок, и легко обнаруживаются специальными программами.

Вирусы-невидимки: Это достаточно совершенные вирусы. Их трудно обнаружить антивирусной программой и невозможно увидеть при обычном просмотре файлов, так как при открытии зараженного файла они немедленно удаляются из него, а при закрытии опять заражают.

Вирусы-«призраки». Это тоже трудно обнаруживаемые вирусы. Дело в том, что они, заражая программы, постоянно меняют свой код (содержание). Так что во всех следующих зараженных программах нельзя заметить какого-то совпадения. Поэтому эти вирусы трудно обнаружить с помощью антивирусных программ, основанных на этом принципе.

Две последние группы вирусов представляют наибольшую опасность. Эта проблема заставляет вирусологов отходить от стандартных антивирусных программ и находить другие методы борьбы с вирусами.

Характеристика антивирусных программ.

Для обнаружения, удаления и защиты от компьютерных вирусов разработано несколько видов специальных программ, которые позволяют обнаруживать и уничтожать вирусы. Такие программы называются антивирусными.

Различают следующие виды антивирусных программ :

• программы-детекторы;

• программы-доктора или фаги;

• программы-ревизоры;

• программы-фильтры;

• Программы-вакцины или иммунизаторы.

Программы-детекторы осуществляют поиск характерной для конкретного вируса последовательности байтов (сигнатуры вируса) в оперативной памяти и в файлах и при об­наружении выдают соответствующее сообщение. Недостатком таких антивирусных программ является то, что они могут находить только те вирусы, которые известны разработчи­кам таких программ.

Программы-доктора или фаги, а также программы-вакцины не только находят зараженные вирусами файлы, но и "лечат" их, т.е. удаляют из файла тело программы вируса, возвращая файлы в исходное состояние. В начале своей работы фаги ищут вирусы в оперативной памяти, уничтожая их, и только затем переходят к "лечению" файлов. Среди фагов выделяют поли фаг и, т.е. программы-доктора, предназначенные для поиска и уничтожения большого количества вирусов.

Учитывая, что постоянно появляются новые вирусы, программы-детекторы и про­граммы-доктора быстро устаревают, и требуется регулярное обновление их версий.

Программы-ревизоры относятся к самым надежным средствам защиты от ви­русов. Ревизоры запоминают исходное состояние программ, каталогов и системных облас­тей диска тогда, когда компьютер не заражен вирусом, а затем периодически или по желанию пользователя сравнивают текущее состояние с исходным. Обнаруженные измене­ния выводятся на экран видеомонитора. Как правило, сравнение состояний производят сразу после загрузки операционной системы. При сравнении проверяются длина файла, код циклического контроля (контрольная сумма файла), дата и время модификации, другие параметры. Программы-ревизоры имеют достаточно развитые алгоритмы, обнаруживают стелс-вирусы и могут даже отличить изменения версии проверяемой программы от измене­ний, внесенных вирусом.

Программы-фильтры или "сторожа" представляют собой небольшие резидентные программы, предназначенные для обнаружения подозрительных действий при работе компьютера, характерных для вирусов. Такими действиями могут являться:

• попытки коррекции файлов с расширениями СОМ и ЕХЕ;

• изменение атрибутов файлов;

• прямая запись на диск по абсолютному адресу;

• запись в загрузочные сектора диска;

• загрузка резидентной программы.

При попытке какой-либо программы произвести указанные действия "сторож" посы­лает пользователю сообщение и предлагает запретить или разрешить соответствующее дей­ствие. Программы-фильтры весьма полезны, так как способны обнаружить вирус на самой ранней стадии его существования до размножения. Однако они не "лечат" файлы и диски. Для уничтожения вирусов требуется применить другие программы, например фаги. К недо­статкам программ-сторожей можно отнести их "назойливость" (например, они постоянно выдают предупреждение о любой попытке копирования исполняемого файла), а также воз­можные конфликты с другим программным обеспечением.

Вакцины или иммунизаторы — это резидентные программы, предотвра­щающие заражение файлов. Вакцины применяют, если отсутствуют программы- доктора, "лечащие" этот вирус. Вакцинация возможна только от известных вирусов. Вакцина моди­фицирует программу или диск таким образом, чтобы это не отражалось на их работе, а вирус будет воспринимать их зараженными и поэтому не внедрится. В настоящее время программы- вакцины имеют ограниченное применение.

Своевременное обнаружение зараженных вирусами файлов и дисков, полное уничто­жение обнаруженных вирусов на каждом компьютере позволяют избежать распространения вирусной эпидемии на другие компьютеры.

Лекция 13 Обзор прикладных программ

Текстовый редактор — это программа, используемая специально для ввода и редактирования текстовых данных.

Этими данными могут быть программа или какой-либо документ или же книга. Редактируемый текст выводится на экран, и пользователь может в диалоговом режиме вносить в него свои изменения.

Текстовые редакторы могут обеспечивать выполнение разнообразных функций, а именно:

• редактирование строк текста;

• возможность использования различных шрифтов символов;

• копирование и перенос части текста с одного места на другое или из одного документа в другой;

• контекстный поиск и замена частей текста;

• задание произвольных межстрочных промежутков;

• автоматический перенос слов на новую строку;

• автоматическая нумерацию страниц;

• обработка и нумерация сносок;

• выравнивание краев абзаца;

• создание таблиц и построение диаграмм;

• проверка правописания слов и подбор синонимов;

• построение оглавлений и предметных указателей;

• распечатка подготовленного текста на принтере в нужном числе экземпляров и т.п.

Возможности текстовых редакторов различны — от программ, предназначенных для подготовки небольших документов простой структуры, до программ для набора, оформления и полной подготовки к типографскому изданию книг и журналов (издательские системы).

Наиболее известный текстовый редактор — Microsoft Word.

Полнофункциональные издательские системы — Microsoft Publisher, Corel Ventura и Adobe PageMaker. Издательские системы незаменимы для компьютерной верстки и графики. Значительно облегчают работу с многостраничными документами, имеют возможности автоматической разбивки текста на страницы, расстановки номеров страниц, создания заголовков и т.д. Создание макетов любых изданий — от рекламных листков до многостраничных книг и журналов — становится очень простым, даже для новичков.

Графический редактор — это программа, предназначенная для автоматизации процессов построения на экране дисплея графических изображений. Предоставляет возможности рисования линий, кривых, раскраски областей экрана, создания надписей различными шрифтами и т.д.

Большинство редакторов позволяют обрабатывать изображения, полученные с помощью сканеров, а также выводить картинки в таком виде, чтобы они могли быть включены в документ, подготовленный с помощью текстового редактора.

Некоторые редакторы позволяют получать изображения трёхмерных объектов, их сечений, разворотов, каркасных моделей и т.п.

Пользуется известностью Corel DRAW — мощный графический редактор с функциями создания публикаций, снабжённый инструментами для редактирования графики и трёхмерного моделирования.

Системы деловой графики дают возможность выводить на экран различные виды графиков и диаграмм: гистограммы; круговые и секторные диаграммы и т.д.

Эти системы позволяют наглядно представлять на экране различные данные и зависимости.

Системы научной и инженерной графики позволяют в цвете и в заданном масштабе отображать на экране следующие объекты:

Табличный процессор — это комплекс взаимосвязанных программ, предназначенный для обработки электронных таблиц.

Электронная таблица — это компьютерный эквивалент обычной таблицы, состоящей из строк и граф, на пересечении которых располагаются клетки, в которых содержится числовая информация, формулы или текст.

Значение в числовой клетке таблицы может быть либо записано, либо рассчитано по соответствующей формуле; в формуле могут присутствовать обращения к другим клеткам.

Электронная таблица Microsoft Excel.

Каждый раз при изменении значения в клетке таблицы в результате записи в нее нового значения с клавиатуры пересчитываются также значения во всех тех клетках, в которых стоят величины, зависящие от данной клетки.

Графам и строкам можно присваивать наименования. Экран монитора трактуется как окно, через которое можно рассматривать таблицу целиком или по частям.

Табличные процессоры представляют собой удобное средство для проведения бухгалтерских и статистических расчетов. В каждом пакете имеются сотни встроенных математических функций и алгоритмов статистической обработки данных. Кроме того, имеются мощные средства для связи таблиц между собой, создания и редактирования электронных баз данных.

Специальные средства позволяют автоматически получать и распечатывать настраиваемые отчеты с использованием десятков различных типов таблиц, графиков, диаграмм, снабжать их комментариями и графическими иллюстрациями.

Табличные процессоры имеют встроенную справочную систему, предоставляющую пользователю информацию по конкретным командам меню и другие справочные данные. Многомерные таблицы позволяют быстро делать выборки в базе данных по любому критерию.

В Microsoft Excel автоматизированы многие рутинные операции, специальные шаблоны помогают создавать отчёты, импортировать данные и многое другое.

База данных — это один или несколько файлов данных, предназначенных для хранения, изменения и обработки больших объемов взаимосвязанной информации.

В базе данных предприятия, например, может храниться:

• вся информация о штатном расписании, о рабочих и служащих предприятия;

• сведения о материальных ценностях;

• данные о поступлении сырья и комплектующих;

• сведения о запасах на складах;

• данные о выпуске готовой продукции;

• приказы и распоряжения дирекции и т.п.

Даже небольшие изменения какой-либо информации могут приводить к значительным изменениям в разных других местах.

Пример. Издание приказа о повышении в должности одного работника приводит к изменениям не только в личном деле работника, но и к изменениям в списках подразделения, в котором он работает, в ведомостях на зарплату, в графике отпусков и т.п.

Базы данных используются под управлением систем управления базами данных (СУБД).

Система управления базами данных (СУБД) — это система программного обеспечения, позволяющая обрабатывать обращения к базе данных, поступающие от прикладных программ конечных пользователей.

Системы управления базами данных позволяют объединять большие объемы информации и обрабатывать их, сортировать, делать выборки по определённым критериям и т.п.

Современные СУБД дают возможность включать в них не только текстовую и графическую информацию, но и звуковые фрагменты и даже видеоклипы.

Простота использования СУБД позволяет создавать новые базы данных, не прибегая к программированию, а пользуясь только встроенными функциями.

СУБД обеспечивают правильность, полноту и непротиворечивость данных, а также удобный доступ к ним.

Популярные СУБД — FoxPro, Access for Windows, Paradox.

Для менее сложных применений вместо СУБД используются информационно-поисковые системы (ИПС), которые выполняют следующие функции:

• хранение большого объема информации;

• быстрый поиск требуемой информации;

• добавление, удаление и изменение хранимой информации;

• вывод ее в удобном для человека виде.

Библиотека стандартных подпрограмм — это совокупность подпрограмм, составленных на одном из языков программирования и удовлетворяющих определенным единым требованиям к структуре, организации их входов и выходов, описаниям подпрограмм и т.п.

Стандартные подпрограммы имеют единую форму обращения, что обеспечивает простоту и удобство настройки параметров подпрограммы на решение конкретной задачи.

В качестве примера можно привести библиотеку стандартных подпрограмм по численным математическим методам решения уравнений, вычисления интегралов, нахождения экстремумов и т.п.

Пакеты прикладных программ (ППП) — это специальным образом организованные программные комплексы, рассчитанные на общее применение в определенной проблемной области и дополненные соответствующей технической документацией.

В зависимости от характера решаемых задач различают следующие разновидности ППП:

• пакеты для решения типовых инженерных, планово-экономических, общенаучных задач;

• пакеты системных программ;

• пакеты для обеспечения систем автоматизированного проектирования и систем автоматизации научных исследований;

• пакеты педагогических программных средств и другие.

Чтобы пользователь мог применить ППП для решения конкретной задачи, пакет должен обладать средствами настройки (иногда путём введения некоторых дополнений).

Каждый ППП обладает обычно рядом возможностей по методам обработки данных и формам их представления, полноте диагностики, что дает возможность пользователю выбрать подходящий для конкретных условий вариант.

ППП обеспечивают значительное снижение требований к уровню профессиональной подготовки пользователей в области программирования, вплоть до возможности эксплуатации пакета без программиста.

Часто пакеты прикладных программ располагают базами данных для хранения данных и передачи их прикладным программам.

Интегрированные пакеты представляют собой набор нескольких программных продуктов, объединенных в единый удобный инструмент. Наиболее развитые из них включают в себя текстовый редактор, органайзер, электронную таблицу, СУБД, средства поддержки электронной почты, программу создания презентационной графики.

Результаты, полученные отдельными подпрограммами, могут быть объединены в окончательный документ, содержащий табличный, графический и текстовый материал.

Интегрированные пакеты, как правило, содержат некоторое ядро, обеспечивающее возможность тесного взаимодействия между составляющими.

Лекция 14. Компьютерные сети

Если в одном помещении, здании или комплексе близлежащих зданий имеет­ся несколько компьютеров, пользователи которых должны совместно решать какие-то задачи, обмениваться данными или использовать общие данные, то эти компьютеры целесообразно объединить в локальную сеть.

Локальная сеть - это группа из нескольких компьютеров, соединен­ных между собой посредством кабелей (иногда также телефонных линий или радиоканалов), используемых для передачи информации между компьютера­ми. Для соединения компьютеров в локальную сеть необходимо сетевое обо­рудование и программное обеспечение.

Локальные сети позволяют обеспечить:

• коллективную обработку данных пользователями подключенных в сеть компьютеров и обмен данными между этими пользователями;

• совместное использование программ;

• совместное использование принтеров, модемов и других устройств.

Поэтому практически все фирмы, имеющие более одного компьютера, объеди­няют их в локальные сети. Многие пользователи портативных компьютеров подключаются к локальной сети фирмы либо приходя в офис, либо соединяясь с компьютером фирмы по телефонным каналам посредством модема.

Для объединения компьютеров в локальную сеть требуется:

• вставить в каждый подключаемый к сети компьютер сетевой контроллер, который позволяет компьютеру получать информацию из локальной сети и передавать данные в сеть;

• соединить компьютеры кабелями, по которым происходит передача данных между компьютерами, а также другими подключенными к сети устройствами (принтерами, сканерами и т.д.). В некоторых типах сетей кабели со­единяют компьютеры непосредственно (как электролампочки на елочной гирлянде), в других соединение кабелей осуществляется через специаль­ные устройства - концентраторы , коммутаторы и др.

Замечание. В некоторых сетях вместо кабелей данные передаются по радиочастотам (как в радиотелефонах или сотовых телефонах). Однако такие сети стоят дороже и они сложнее в эксплуатации.

Для обеспечения функционирования локальной сети часто выделяется специ­альный компьютер — сервер, или несколько таких компьютеров. На дисках серверов располагаются совместно используемые программы, базы данных и т.д. Остальные компьютеры локальной сети часто называются рабочими станциями. На тех рабочих станциях, где требуется обрабатывать только данные на сервере (например, вводить сведения в совместно используемую базу данных о заказах и продажах), часто для экономии (или по соображени­ям безопасности) не устанавливают жестких дисков.

В сетях, состоящих бо­лее чем из 20-25 компьютеров, наличие сервера обязательно — иначе, как правило, производительность сети будет неудовлетворительной. Сервер необ­ходим и при совместной интенсивной работе с какой-либо базой данных.

Иногда серверам назначается определенная специализация (хранение данных, программ, обеспечение модемной и факсимильной связи, вывод на печать и т.д.). Серверы, как правило, не используются в качестве рабочих мест пользо­вателей. Серверы, обеспечивающие работу с ценными данными, часто разме­щаются в изолированном помещении, доступ в которое имеют только специ­ально уполномоченные люди (как в банковское хранилище).

Замечание. Многие серверы стоят значительно дороже (в 10-20 и более раз) обычных компьютеров. Не удивительно — ведь они не только являются весьма мощными компьюте­рами с большим количеством оперативной и дисковой памяти, но в них вдобавок обеспечи­ваются исключительная надежность, высокая производительность ввода-вывода, дублирова­ние устройств и хранимых данных, средства контроля над состоянием сервера, средства обеспечения бесперебойной работы при отказе некоторых устройств и т.д.

Для обеспечения функционирования локальной сети необходимо соответствующее программное обеспечение, о котором мы сейчас и расскажем.

Операционные системы Windows for Workgroups, Windows 95, Windows NT Worksta­tion имеют встроенные возможности по организации локальных сетей без выделенного сервера. Обычно такие сети называются одноранговыми, поскольку в них все компью­теры равноправны, каждый из них выполняет как роль рабочего места пользователя, так и роль сервера по обеспечению доступа к своим данным и ресурсам. Правда, при использовании Windows for Workgroups или Windows 95 защиту данных обеспечить не удастся, поэтому такие сети можно использовать только в коллективах, где ни у кого нет секретов друг от друга. Можно использовать и другие средства для организации одноранговых локальных сетей. Например, ОС LANtastic фирмы Artisoft позволяет создать одноранговую сеть, в которой можно работать в среде DOS, Windows и Windows 95.

Но часто одноранговая сеть - это не лучший выход. Ведь пользовательская ОС мало приспособлена для выполнения функций сервера сети, которую ей приходится выпол­нять. И если на каком-то компьютере пользователь играет в DOOM или рисует кар­тинку в Adobe Photoshop, а другие пользователи работают с файлами на этом же ком­пьютере, то они будут сильно мешать друг другу — скорость их работы резко снизит­ся. Да и многие другие особенности одноранговых сетей весьма неудобны — и отсут­ствие защиты информации, и децентрализованное хранение данных, усложняющее их резервирование, и недостаточная надежность, и многое другое. Поэтому обычно в ло­кальных сетях применяются выделенные компьютеры, занимающиеся только обслужи­ванием локальной сети и совместно используемых данных — серверы.

В локальных сетях с выделенным сервером на сервере используются специальные опе­рационные системы, обеспечивающие надежную и эффективную обработку многих запросов от рабочих мест пользователей. На рабочих станциях такой локальной сети может использоваться любая операционная система, например DOS, Windows и т.д., и должен быть запущен драйвер, обеспечивающий доступ к локальной сети.

На серверах уровня подразделения (скажем, до 100 компьютеров) используется опера­ционная система Novell NetWare (версии 3.12 или 4.1) или Windows NT Server. Иногда применяются и другие ОС — OS/2 Server Advanced, различные варианты UNIX и др. В сетях с большим количеством серверов (скажем, десятком или несколькими десят­ками) часто используется операционная система Novell NetWare версии 4.1, так как она обеспечивает удобные средства по централизованному управлению ресурсами та­ких сетей (Novell Directory Service, NDS). Ведь, как известно, именно управление ре­сурсами сети обычно составляет более половины эксплуатационных расходов. В Win­dows NT Server аналогичные средства удобны лишь для небольших сетей, включающих один сервер или малое количество серверов.

В тех случаях, когда к некоторым данным требуется обеспечить доступ сотен и тысяч компьютеров, применяются так называемые серверы уровня предприятия. Они часто уже делаются не на основе микропроцессоров Intel, а скажем, на технике фирмы Sun, на мэйнфреймах (больших компьютерах) фирмы IBM и др. Там требуется особо высо­кая надежность, многопроцессорная обработка, высочайшая пропускная способность и т.д. Такими серверами управляют различные варианты UNIX, MVS фирмы IBM и др.

Файл-сервер является ядром локальной сети. Этот компьютер (обычно высокопроизводительный мини-компьютер)запускает операционную систему и управляет потоком данных, передаваемых по сети. Отдельные рабочие станции и любые совместно используемые периферийные устройства, такие, как принтеры - все подсоединяются к файл-серверу. Каждая рабочая станция представляет собой обычный персональный компьютер, работающий под давлением собственной дисковой операционной системы (такой, как DOS или OS/2). Однако в отличие от автономного персонального компьютера рабочая станция содержит плату сетевого интерфейса и физически соединена кабелями с файлом-сервером. Кроме того, рабочая станция запускает специальную программу, называемой оболочкой сети, которая позволяет ей обмениваться информацией с файл-сервером, другими рабочими станциями и прочими устройствами сети. Оболочка позволяет рабочей станции использовать файлы и программы, хранящиеся на файл-сервере, так же легко, как и находящиеся на ее собственных дисках.

Каждый компьютер рабочей станции работает под управлением своей собственной операционной системы (такой, как DOS или OS/2). Чтобы включить каждую рабочую станцию с состав сети, оболочка сетевой операционной Системы загружается в начало операционной системы компьютера. Оболочка сохраняет большую часть команд и функций операционной системы, позволяя рабочей станции в процессе работы выглядеть как обычно. Оболочка просто добавляет локальной операционной системе больше функций и придает ей гибкость.

Методы доступа и протоколы передачи данных.

В различных сетях существуют различные процедуры обмена данными в сети. Эти процедуры называются протоколами передачи данных, которые описывают методы доступа к сетевым каналам данных.

Наибольшее распространение получили конкретные реализации методов доступа: Ethernet, Arcnet и Token-Ring.

Метод доступа Ethernet.

Это метод доступа, разработанный фирмой Xerox в 1975 году, пользуется наибольшей популярностью. Он обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность.

Для данного метода доступа используется топология "общая шина". Поэтому сообщение, отправляемое одной рабочей станцией, принимается одновременно всеми остальными, подключенными к общей шине. Но сообщение, предназначенное только для одной станции (оно включает в себя адрес станции назначения и адрес станции отправителя). Та станция, которой предназначено сообщение, принимает его, остальные игнорируют.

Метод доступа Ethernet является методом множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий (конфликтов) (CSMA/CD - Carier Sense Multiple Access with Collision Detection).

Перед началом передачи рабочая станция определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, станция начинает передачу.

Ethernet не исключает возможности одновременной передачи сообщений двумя или несколькими станциями. Аппаратура автоматически распознает такие конфликты, называемые коллизиями. После обнаружения конфликта станции задерживают передачу на некоторое время. Это время небольшое и для каждой станции свое. После задержки передача возобновляется.

Реально конфликты приводят к уменьшению быстродействия сети только в том случае, если работает порядка 80-100 станций.

Метод доступа Arcnet.

Этот метод доступа разработан фирмой Datapoint Corp. Он тоже получил широкое распространение, в основном благодаря тому, что оборудование Arcnet дешевле, чем оборудование Ethernet или Token -Ring. Arcnet используется в локальных сетях с топологией "звезда".Один из компьютеров создает специальный маркер (сообщение специального вида), который последовательно передается от одного компьютера к другому.

Если станция желает передать сообщение другой станции, она должна дождаться маркера и добавить к нему сообщение, дополненное адресами отправителя и назначения. Когда пакет дойдет до станции назначения, сообщение будет "отцеплено" от маркера и передано станции.

Метод доступа Token-Ring.

Метод доступа Token-Ring был разработан фирмой IBM и рассчитан на кольцевую топологию сети.

Этот метод напоминает Arcnet, так как тоже использует маркер, передаваемый от одной станции к другой. В отличие от Arcnet, при методе доступа Token-Ring имеется возможность назначать разные приоритеты разным рабочим станциям.

Аппаратное обеспечение локальных сетей.

Аппаратура Ethernet.

Аппаратура Ethernet обычно состоит из кабеля, разъемов, Т-коннекторов, терминаторов и сетевых адаптеров. Кабель, очевидно, используется для передачи данных между рабочими станциями. Для подключения кабеля используются разъемы. Эти разъемы через Т-коннекторы подключаются к сетевым адаптерам - специальным платам, вставленным в слоты расширения материнской платы рабочей станции. Терминаторы подключаются к открытым концам сети.

Для Ethernet могут быть использованы кабели разных типов: тонкий коаксиальный кабель, толстый коаксиальный кабель и неэкранированная витая пара. Для каждого типа кабеля используются свои разъемы и свой способ подключения к сетевому адаптеру.

В зависимости от кабеля меняются такие характеристики сети, как максимальная длина кабеля и максимальное количество рабочих станций, подключаемых к кабелю.

Как правило, скорость передачи данных в сети Ethernet достигает 10 Мбит в секунду, что достаточно для многих приложений.

Рассмотрим подробно состав аппаратных средств Ethernet для различных типов кабеля.

Толстый коаксиальный кабель.

Толстый коаксиальный кабель, используемый Ethernet, имеет диаметр 0.4 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Иногда этот кабель называют "желтым кабелем". Это самый дорогостоящий из рассматриваемых нами кабелей. Институт IEEE определил спецификацию на этот кабель - 10BASES.

Тонкий коаксиальный кабель.

Тонкий коаксиальный кабель, используемый для Ethernet, имеет диаметр 0.2 дюйма и волновое сопротивление 50 Ом. Импортный кабель называется RG-58A/U и соответствует спецификации 10BASE2.Можно также использовать кабель РК-50, выпускаемый нашей промышленностью. Сеть Ethernet на тонком кабеле существенно проще, чем на толстом.

Как правило, все сетевые адаптеры имеют два разъема. Один из них предназначен для подключения многожильного трансиверного кабеля, второй - для подключения небольшого тройника, называемого Т-коннектором. Т-коннектор с одной стороны подключается к сетевому адаптеру, а с двух других сторон к нему подключаются отрезки тонкого коаксиального кабеля с соответствующими разъемами на концах. При этом получается, что коаксиальный кабель подключается как бы непосредственно к сетевому адаптеру, поэтому не нужны трансивер и трансиверный кабель. На концах сегмента должны находиться терминаторы, которые подключаются к свободным концам Т-коннекторов. Один (и только один!) терминатор в сегменте должен быть заземлен. Сети на тонком кабеле имеют худшие параметры по сравнению с сетями на базе толстого кабеля.

Неэкранированная витая пара.

Некоторые (но не все) сетевые адаптеры Ethernet способны работать с кабелем, представляющем собой простую неэкранированную витую пару проводов (спецификация 10BASE-T). В качестве такого кабеля можно использовать обычный телефонный провод и уже имеющуюся в вашей организации телефонную сеть.

Сетевые адаптеры, способные работать с витой парой, имеют разъем, аналогичный применяемому в импортных телефонных аппаратах.

Для сети Ethernet на базе витой пары необходимо специальное устройство - концентратор. К одному концентратору через все те же телефонные розетки можно подключить до 12 рабочих станций. Максимальное расстояние от концентратора до рабочей станции составляет 100 метров, при этом скорость передачи данных такая же, как и для коаксиального кабеля, - 10 Мбит в секунду.

Достоинства сети на базе витой пары очевидны - низкая стоимость оборудования и возможность использования имеющейся телефонной сети. Однако есть серьезные ограничения на количество станций в сети и на ее длину.

Сетевой адаптер Ethernet.

Вне зависимости от используемого кабеля для каждой рабочей станции необходимо иметь сетевой адаптер. Сетевой адаптер - это плата, которая вставляется в материнскую плату компьютера. Она имеет два разъема для подключения к сетевому кабелю.

Для Ethernet в стандарте ISA используется три вида сетевых адаптеров: 8-битовые, 16-битовые и 32-битовые. 8-битовый адаптер может вставляться в 8-битовый или 16-битовый слоты материнской платы и используется, главным образом, в компьютерах IBM XT IBM PC, где нет 16-битовых слотов. Иногда 8-битовые адаптеры используются для компьютеров IBM AT, если требования к скорости передачи данных не высоки. Для 16-битового адаптера необходимо использовать 16-битовый слот.

На компьютерах 80386 или 80486 имеет смысл использовать скоростные 32-битовые адаптеры, по крайней мере для тех станций, на которые приходится максимальная нагрузка.

Сетевые адаптеры могут быть рассчитаны на архитектуру ISA/EISA или Micro Channel. Первая архитектура используется в серии компьютеров IBM AT и совместимых с ними, вторая - в мощных станциях на базе процессоров 80486, третья - в компьютерах PS/2 серии IBM. Конструктивно эти типы адаптеров отличаются друг от друга. Для ускорения работы на плате сетевого адаптера может находиться буфер. Размер этого буфера различен для адаптеров разных типов и может составлять от 8 Кб для 8-битовых адаптеров до 16 Кб и более для 16- и 32-битовых адаптеров.

Сетевые адаптеры Ethernet используют порты ввода/вывода и один канал прерывания. Некоторые адаптеры могут работать с каналами прямого доступа к памяти (DMA).

На плате адаптера может располагаться микросхема постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) для создания так называемых бездисковых рабочих станций. Это компьютеры, в которых нет ни винчестера, ни флоппи-дисков. Загрузка операционной системы выполняется из сети, и выполнят ее программа, записанная в микросхеме дистанционной загрузки.

Перед тем как вставить сетевой адаптер в материнскую плату компьютера, необходимо с помощью переключателей (расположенных на плате адаптера) задать правильные значения для портов ввода/вывода, канала прерывания, базовый адрес ПЗУ дистанционной загрузки бездисковой станции.

Репитер.

Если длина сети превышает максимальную длину сегмента сети, необходимо разбить сеть на несколько (до пяти) сегментов, соединив их через репитер.

Конструктивно репитер может быть выполнен либо в виде отдельной конструкции со своим блоком питания, либо в виде платы, вставляемой в слот расширения материнской платы компьютера. Репитер в виде отдельной конструкции стоит дороже, но он может быть использован для соединения сегментов Ethernet, выполненных как на тонком, так и на толстом кабеле, так как он имеет и коаксиальные разъемы, и разъемы для подключения трансиверного кабеля. С помощью этого репитера можно даже соединить в единую сеть сегменты, выполненные и на тонком, и на толстом кабеле.

Репитер в виде платы имеет только коаксиальные разъемы и поэтому может соединять только сегменты на тонком коаксиальном кабеле. Однако он стоит дешевле, и не требует отдельной розетки для подключения электропитания.

Один из недостатков встраиваемого в рабочую станцию репитера заключается в том, чтобы для обеспечения круглосуточной роботы сети станция с репитером также должна работать круглосуточно. При выключении питания связь между сегментами сети будет нарушена.

Функции репитера заключаются в физическом разделении сегментов сети и обеспечении восстановления пакетов, передаваемых из одного сегмента сети в другой.

Репитер повышает надежность сети, так как отказ одного сегмента (например, обрыв кабеля) не сказывается на работе других сегментов. Однако, разумеется, через поврежденный сегмент данные проходить не могут.

Аппаратура Arcnet.

Для организации сети Arcnet необходим специальный сетевой адаптер. Этот адаптер имеет один внешний разъем для подключения коаксиального кабеля.

Каждый адаптер Arcnet должен иметь для данной сети свой номер. Этот номер устанавливается переключателями, расположенными на адаптере, и находятся в пределах от 0 до 255.

Программное обеспечение локальных сетей.

После подключения компьютеров к сети необходимо установить на них специальное сетевое программное обеспечение. Существует два подхода к организации сетевого программного обеспечения:

- Сети с централизованным управлением;

- Одно-ранговые сети.

Сети с централизованным управлением.

В сети с централизованным управлением выделяются одна или несколько машин, управляющих обменом данными по сети. Диски выделенных машин, которые называются файл-серверами, доступны всем остальным компьютерам сети. На файл-серверах должна работать специальная сетевая операционная система. Обычно это мультизадачная ОS, использующая защищенный режим работы процессора.

Остальные компьютеры называются рабочими станциями. Рабочие станции имеют доступ к дискам файл-сервера и совместно используемым принтерам, но и только. С одной рабочей станции нельзя работать с дисками других рабочих станций. С одной стороны, это хорошо, так как пользователи изолированы друг от друга и не могут случайно повредить чужие данные. С другой стороны, для обмена данными пользователи вынуждены использовать диски файл-сервера, создавая для него дополнительную нагрузку.

Есть, однако, специальные программы, работающие в сети с централизованным управлением и позволяющие передавать данные непосредственно от одной рабочей станции к другой минуя файл-сервер. Пример такой программы - программа NetLink. После ее запуска на двух рабочих станциях можно передавать файлы с диска одной станции на диск другой, аналогично тому, как копируются файлы из одного каталога в другой при помощи программы Norton Commander.

На рабочих станциях должно быть установлено специальное программное обеспечение, часто называемое сетевой оболочкой. Это обеспечение работает в среде той ОS, которая используется на данной рабочей станции, - DOS, OS/2 и т.д.

Файл-серверы могут быть выделенными или невыделенными. В первом случае файл-сервер не может использоваться как рабочая станция и выполняет только задачи управления сетью. Во втором случае параллельно с задачей управления сетью файл-сервер выполняет обычные пользовательские программы в среде MS-DOS. Однако при этом снижается производительность файл-сервера и надежность работы всей сети в целом, так как ошибка в пользовательской программе, запущенной на файл-сервере, может привести к остановке работы всей сети. Поэтому не рекомендуется использовать невыделенные файл-серверы, особенно в ответственных случаях.

Существуют различные сетевые ОS, ориентированные на сети с централизованным управлением. Самые известные из них - Novell NetWare, Microsoft Lan Manager (на базе OS/2), а также выполненная на базе UNIX сетевая ОS VINES.

Лекция 15. Топология вычислительной сети

Топология сети - это её геометрическая форма или физическое расположение компьютера по отношению друг к другу. Топология сети даёт способ сравнивать и классифицировать различные сети. Три основных типа топологий звезда, кольцо и шина. Поскольку Интернет является «сетью сетей» в нём встречается любые из перечисленных топологий. Под топологией вычислительной сети понимают конфигурацию физических соединений компонентов вычислительной сети (файловый сервер, рабочие станции). Тип топологии определяет производительность и надёжность в эксплуатации сети рабочих станций, для которых имеет значение также время обращения к файловому серверу.

Топология звезда.

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропуская способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления - файловый сервер может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управлять из её центра.

В сети с топологией «звезда» все компьютеры соединены с центральным компьютером, или хабом (hub) . Прямые соединение между двумя компьютерами такой сети отсутствует.

Рисунок 22 - Вид топологии звезда.

Кольцевая топология.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д.

Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольце. Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

Сообщение циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений модно отправлять «в дорогу» по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станции, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов, которые по-русски также иногда называют «хаб». В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвителным устройством ( максимум на три рабочих станции).

Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети. Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

Рисунок 23 - Вид кольцевой топологии.

Шинная топология.

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кабель с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требует разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Рисунок 24 - Вид шинной топологии

Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и/ или включать рабочие станции во время работы вычислительной сети.

Рисунок 25 - Вычислительная сеть.

Благодаря тому, что рабочие станции можно включать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, т.е. ответвлять информацию из коммуникационной среды.

В ЛВС с прямой (немодулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращение коллизий в большинстве случаев применяется временной метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени представляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности вычислительной сети при повышенной нагрузке снижается, например, при вводе новых рабочих станций. Рабочие станции присоединяются к шине посредством устройств ТАР ( англ. Terminal Access Point- точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип подсоединения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой формы внедряется через наружную оболочку внешнего проводника и слой диэлектрика к внутреннему проводнику и присоединяется к нему.

В ЛВС с моделированной широкополосной передачей информации различные рабочие станции получают, по мере надобности, частоту, на которой эти рабочие станции могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т.е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся соответственно модемы для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объём информации. Для дальнейшего развития дискретной транспортировки данные не играют роли, какая первоначальная информация подана в модем (аналоговая или цифровая), так как она все равно в дальнейшем будет преобразована. Характеристика топологий вычислительных сетей приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Характеристика топологий вычислительных сетей.

характеристика	топология
	звезда	кольцо	шина
Присоединение абонентов	пассивное	активное	Пассивное
Защита от отказов	незначительная	незначительная	Высокая
Размер системы	любые	любые	Ограничены
Контроль ошибок	простой	простой	Затруднительный
Защищенность от прислушивания	хорошая	хорошая	Незначительная
Стоимость подключения	незначительная	незначительная	Высокая
Поведение системы при высоких нагрузках	хорошая	удовлетворительная	Плохое
Возможность работы в реальном режиме времени	Очень хорошая	хорошая	Плохая
Разводка кабеля	хорошая	удовлетворительная	Хорошая
Плановые издержки	незначительная	средние	незначительные
Обслуживание	Очень хорошая	среднее	Среднее
Возможность отказов	Полный отказ	Полный отказ	Частичный отказ

Древовидная структура ЛВС

Наряду с известными топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется комбинированная, например, древовидная структура. Она образуется в виде комбинации вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Для подключения большого числа рабочих станций соответственно адаптерным платам применяют сетевые усилители и/ или коммутаторы. Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором. На практике применяют две их разновидности, обеспечивающие подключение соответственно восьми или шестнадцати линий. Устройство, к которому можно присоединить максимум тир станции, называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе. Предпосылкой для подключения пассивного концентратора является то, что максимально возможное расстояние до рабочей станции не должен превышать нескольких десятков метров.

Рисунок 26 - Вычислительная сеть смешанной топологии.

Рисунок 26 - Вычислительная сеть древовидной топологии.

Какая топология лучше?

В топологии «звезда» нарушение соединения между компьютером и центральным хабом не приводит к остановке работы остальной части сети. Также нарушение в сетях с топологией «кольцо» или «шина» приводит к остановке работы всей сети. Вроде бы ясно, что топология «звезда»- лучшее, что мы имеем. Однако не забывайте, что центральный хаб в такой сети- весьма сложное и другое устройство, и во многих случаях его функции выполняет специальный компьютер.

А теперь подумайте - что легче: чинить неисправный компьютер или неисправный кабель? В большинстве случаев починить кабель получается проще, дешевле и быстрее.

До тех пор пока хаб не сломается топология «звезда» обладает несомненными преимуществами перед остальными. Когда хаб ломается, стоимость его починки оказывается серьёзной величиной. Чтобы сравнить достоинство и недостатки разных топологий, сетевые интеграторы и администраторы должны учесть множество факторов, и может случиться так, что. Подсчитав разницу в стоимости ремонта хаба и починки кабеля, многие отдадут предпочтение топологии «кольцо» или «шина», несмотря на преимущества «звезды».

Программисту Интернет необязательно углубляться в тонкости сетевых топологий- одна и та же программа будет работать на любой, однако для лучшего понимания предмета неплохо представлять себя разницу между ними.

Список рекомендованной литературы.

1. Андрей Гарнаев. Использование MS Excel и VBA в экономике и финансах – СПб. : БХВ – Санкт-Петербург, 1999. – 336 с., ил.

2. В. Л. Бройдо «Вычислительные системы, сети и телекоммуникации», Издательский дом «Питер», 2002 г.

3. В.А. Острейковский. Информатика: Учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1999. – 511 с.

4. В.З. Аладьев, Ю.Я. Хунт, М.Л. Шишаков. Основы информатики. М., 1998.

5. В.Ф.Ляхович. Основы информатики. Ростов-на-Дону, 1996.

6. Демидова Л.А, Пылькин А.Н. – Программирование в среде Vsual Basic for Applications: Практикум. – М.: Горячая линия – Телеком, 2004. – 175 с.

7. Дьяконов В.П. Математическая система Maple V R3/R4/R5. – «Солон», М., 1998.

8. Макарова Н.В. и др. «Информатика», учебник (в 2-х томах), М., Финансы и статистика, 1997.

9. Назаров С.В. «Пакеты программ офисного назначения»,учебное пособие, М., Финансы и статистика, 1999.

10. Практикум по экономической информатике: Учеб. пособие: В 3-х ч. – Ч. 1 / П.П. Мельников, И.В. Миронова, И.Ю. Шполянская. – М.: Финансы и статистика; Перспектива, 2002. – 300 с.

11. Практикум по экономической информатике: Учеб. пособие: В 3-х ч. – Ч. 111 / П.П. Мельников, И.В. Миронова, И.Ю. Шполянская. – М.: Финансы и статистика; Перспектива, 2002. – 160 с.

12. Экономическая информатика: Учебник /Под ред. В.П. Косарева и Л.В. Еремина. – М.: Финансы и статистика, 2002. – 592 с.