Аверянов Основы современной информатики 2007
.pdfФедеральное агентство по образованию
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
Г.П. Аверьянов, А.С. Рошаль
ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ИНФОРМАТИКИ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2007
УДК 004(075) ББК 32.97я7 А19
Аверьянов Г.П., Рошаль А.С. ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ИНФОРМАТИ-
КИ: учебное пособие. М.: МИФИ, 2007. – 320 с.
В пособии изложены сведения из математической логики и теории алгоритмов, способы алгоритмизации и записи алгоритмов, а также описаны технические средства информатики, классификация, архитектура, структура, основные устройства, принципы функционирования компьютеров и компьютерных сетей, типы и сравнительные характеристики важнейших современных языков программирования, разновидность и особенности применения беспроводных вычислительных сетей различного масштаба. Рассмотрены программные средства информатики, наиболее распространенные операционные системы, особенности компьютерной графики, текстовые и графические редакторы, средства работы в сети Internet, экспертные системы. Значительное внимание уделено пакетам прикладных программ, используемым в офисных, научно-исследовательских и конструкторских работах. Дано описание модели и структуры данных, типичных видов работ с данными. Приведена классификация баз данных, систем управления базами данных, автоматизированных информационных и информационно-поисковых систем. Рассмотрены актуальные вопросы информационной безопасности.
Предназначено для студентов факультетов автоматики, электроники и вечернего.
Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.
Рецензенты: канд. техн. наук, доц. Б.Г. Киселев; канд. техн. наук, доц. С.Д. Чигирь
ISBN 978-5-7262-0788-9 |
© |
Московский инженерно-физический институт |
|
|
(государственный университет), 2007 |
|
О Г Л А В Л Е Н И Е |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................................... |
5 |
|
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ .................................................................................. |
9 |
|
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................. |
11 |
|
ГЛАВА 1. АЛГОРИТМЫ И ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ......................... |
15 |
|
1.1. |
Элементы алгебры логики...................................................................... |
15 |
1.2. |
Элементы исчисления предикатов........................................................ |
19 |
1.3. |
Алгоритмы............................................................................................... |
22 |
1.4. |
Проблемы алгоритмизации.................................................................... |
27 |
1.5. |
Математическое моделирование – |
|
|
вычислительный эксперимент............................................................... |
29 |
Контрольные вопросы .................................................................................... |
30 |
|
ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИНФОРМАТИКИ............................. |
31 |
|
2.1. Структура современных систем обработки данных ............................ |
31 |
|
2.2. Общие сведения о структуре компьютера и краткая |
|
|
|
характеристика его составных частей.................................................. |
32 |
2.3. Архитектура компьютеров, понятие об интерфейсах |
|
|
|
и их разновидности................................................................................. |
63 |
2.4. |
Классификация компьютеров, краткие характеристики |
|
|
суперкомпьютеров, мейнфреймов и мини-компьютеров................... |
68 |
Контрольные вопросы..................................................................................... |
89 |
|
ГЛАВА 3. МИКРОПРОЦЕССОРЫ, МИКРОКОМПЬЮТЕРЫ. |
|
|
ПЕРСОНАЛЬНЫЕ КОМПЬЮТЕРЫ, |
|
|
РАБОЧИЕ СТАНЦИИ, СЕРВЕРЫ И СУПЕРСЕРВЕРЫ................................... |
90 |
|
3.1. |
Микропроцессоры – эволюция, классификация, перспективы........... |
90 |
3.2. |
Персональные компьютеры, краткая история, |
|
|
функциональные возможности, номенклатура .................................... |
99 |
3.3. Архитектура ПК, системные и локальные шины, |
|
|
|
состав периферийных устройств......................................................... |
102 |
3.4. Рабочие станции, серверы и суперсерверы ........................................ |
110 |
|
Контрольные вопросы................................................................................... |
117 |
|
ГЛАВА 4. СЕТИ КОМПЬЮТЕРОВ И СРЕДСТВА |
|
|
ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОГО ДОСТУПА.................................................. |
118 |
|
4.1. Эволюция распределенных вычислительных систем........................ |
118 |
|
4.2. Способы передачи данных по физическим линиям........................... |
120 |
|
4.3. Понятие подхода открытых систем, проблемы стандартизации, |
|
|
|
многоуровневый подход, стек протоколов......................................... |
126 |
4.4. Глобальные вычислительные сети, методы доступа, |
|
|
|
современное состояние и ближайшие перспективы.......................... |
132 |
4.5. Internet: краткая история, принципы построения, |
|
|
|
адресация, основные приложения....................................................... |
140 |
4.6. Локальные вычислительные сети, разновидности протоколов |
|
|
|
канального уровня, технические средства, используемые ЛВС....... |
149 |
Контрольные вопросы................................................................................... |
162 |
|
3
ГЛАВА 5. ЛИНГВИСТИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА КОМПЬЮТЕРОВ................ |
164 |
|
5.1. |
Основные тенденции в развитии языков программирования........... |
164 |
5.2. |
Классификация и краткая характеристика современных языков |
|
|
программирования................................................................................ |
169 |
5.3.Структура и сравнительные характеристики процедурно-ориентированных (императивных) языков
|
программирования ................................................................................ |
177 |
Контрольные вопросы................................................................................... |
198 |
|
ГЛАВА 6. ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА СОД ................................................. |
200 |
|
6.1. |
Общие сведения , классификация программного обеспечения |
|
|
и краткая характеристика отдельных частей ...................................... |
200 |
6.2. |
Операционные системы , их эволюция , состав |
|
|
и функциональное назначение отдельных частей .............................. |
204 |
6.3. |
Разновидности построения ОС для различных СОД , |
|
|
сетевые операционные системы .......................................................... |
217 |
Контрольные вопросы................................................................................... |
223 |
|
ГЛАВА 7. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ |
|
|
В ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРАХ IBM-КЛОНА.................................... |
224 |
|
7.1. |
Общая структура программного обеспечения .................................... |
224 |
7.2. |
Краткая характеристика ОС , применяемых в ПК .............................. |
227 |
7.3. |
Инструментальное программное обеспечение ПК ............................ |
234 |
7.4. |
Пакеты прикладных программ ............................................................ |
237 |
Контрольные вопросы................................................................................... |
241 |
|
ГЛАВА 8. ИНФОРМАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ...................................... |
243 |
|
8.1. |
Проблемы информационной безопасности ........................................ |
243 |
8.2. |
Защита информации от непреднамеренных воздействий ................. |
245 |
8.3. |
О некоторых понятиях компьютерной безопасности ........................ |
248 |
8.4. |
Основные методы защиты от удаленных и локальных атак ............. |
255 |
8.5. |
Компьютерные вирусы ......................................................................... |
266 |
8.6. |
Криптографические методы защиты информации ............................ |
271 |
8.7. |
Бизнес в Интернете ............................................................................... |
277 |
8.8. |
Правовое обеспечение информационной безопасности .................... |
283 |
Контрольные вопросы................................................................................... |
288 |
|
ГЛАВА 9. БЕСПРОВОДНЫЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ ПЕРЕДАЧИ |
|
|
ДАННЫХ |
................................................................................................................... |
289 |
9.1. ............................................................................. |
Беспроводные среды |
289 |
9.2. ............................................................................. |
Системы радиосвязи |
293 |
9.3. .................................................................. |
Спутниковая система связи |
299 |
9.4. .......................................................... |
Система подвижной радиосвязи |
304 |
Контрольные ..........................................................................вопросы |
316 |
|
СПИСОК .......................................................................................ЛИТЕРАТУРЫ |
317 |
|
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Очень высокие темпы развития средств вычислительной техники, особенно в последние 20 лет, требуют постоянных изменений в их изучении и описании информатики.
Так в 60-х – 80-х годах прошлого века сами компьютеры (технические средства) были отделены от пользователя и обслуживались специалистами-профессионалами по различным компонентам машин (по процессору, различным периферийным устройствам и т.п.). То же самое имело место и в разделе программного обеспечения. Работа трансляторов языков программирования, операционных систем, различных библиотечных программ обеспечивалась специальными группами людей, которые (по недоразумению) назывались математиками, а отделы назывались математическими. У пользователя не было необходимости разбираться в этих средствах. Он должен был знать сами языки программирования и команды ОС
итрансляторов.
Всвязи с этим для рядового пользователя изучение информатики ограничивалось изучением курса программирования. Этот курс считался традиционным, как правило, включая изучение языков программирования, ориентированных на различные предметные области, а также особенности их реализации на различных типах больших компьютеров (в современной терминологии – мейнфреймы).
С середины 70-х годов в связи с появлением мини-компьютеров, а в дальнейшем и персональных компьютеров, ситуация резко изменилась. Техника приблизилась к конечному пользователю и потребовала от него определенных знаний, которые прежде были доступны только профессионалам, обслуживающим большие компьютеры. В большинстве случаев пользователь сам должен определять стратегию выбора и приобретения технических средств. К тому же значительно расширился спектр средств вычислительной техники. С появлением 16-разрядного микропроцессора, а затем 32- и 64-разрядных, кроме повсеместно распространенных персональных компьютеров, в рамках серьезных научно-технических и инженерных применений получили широкое распространение высокопроизводительные рабочие станции, а также серверы и так на-
5
зываемые суперсерверы – сетевые машины коллективного использования.
Появление новой элементной базы оказало значительное влияние на развитие мейнфреймов, которые успешно развиваются до последнего времени, несмотря на неоднократные предположения об их неминуемой гибели.
Высокую динамику демонстрирует рынок суперкомпьютеров. Это один из наиболее быстро развивающихся видов вычислительных систем. Новые архитектурные подходы при создании этих самых мощных компьютеров связаны с так называемыми кластерными системами и обязаны также интенсивному развитию твердотельной интегральной электронной техники. Широкое распространение этих машин связано не только с традиционными научнотехническими применениями, но также с использованием их в промышленности (автомобильная, авиационная, металлургическая и т.п.), для управления крупными базами данных, для принятия глобальных стратегических решений и т.п.
Безусловно, все эти сведения необходимо знать современному инженеру.
Вопросы языков программирования (лингвистического обеспечения) также имеют очень важное значение при освоении средств вычислительной техники рядовым пользователем. В этом разделе информатики также происходят значительные изменения в связи с расширением сферы использования компьютеров, разработкой современных программных интерфейсов, особенностями различных аспектов сетевого программирования и т.п.
Развитие языков программирования происходит по ряду направлений. С одной стороны, происходит значительное расширение возможностей традиционных (императивных) языков программирования таких как FORTRAN, Pascal, C, которые иногда называют языками высокого уровня, так как они не связаны с кодом конкретной машины, но, тем не менее, они ориентированы на так называемую «архитектуру фон Неймана» и связаны с кодированием предварительно разработанного математического алгоритма решаемой задачи. При реализации программы на компьютере требуются программные средства для перевода ее в код конкретного компьютера – трансляторы. Для пользователя также требуются
6
определенные усилия по освоению таких языков, так как они далеки от языков человеческого общения.
С другой стороны, развитие языков связано с переходом на более высокий уровень, не зависимый от архитектуры компьютера, и с исключением средств традиционного программирования. К таким средствам можно отнести так называемые функциональные языки и языки логического программирования (LISP, Prolog). Эти языки имеют пока очень ограниченное применение, хотя в определенных случаях оказываются достаточно эффективными.
Гораздо большее (массовое) распространение получили непроцедурные (так называемые дескриптивные) языки, которые также можно отнести к языкам сверхвысокого уровня. Это языки управления заданиями, языки пакетов прикладных программ, ориентированные на наиболее распространенные области применений, – языки электронных таблиц, систем управления базами данных, математические пакеты, экспертные системы и т.п.
Однако как в первом, так и во втором случае полностью исключить традиционное, процедурно-ориентированное программирование не удается, и подобные языки включают в свой состав его элементы. Так известная фирма Microsoft, включает в свои основные приложения язык Visual Basic, что позволяет пользователю самостоятельно и неограниченно расширять функциональные возможности приложений. Различные средства традиционного программирования включают в свои пакеты и другие фирмы. В связи с этим, изучение средств программирования, развивающегося уже более 50-ти лет, по-прежнему актуально. В предлагаемом пособии описаны базовые элементы таких языков, их структура и направления развития, прошедшие за последние 50 лет (см. гл. 5).
Программное обеспечение современных вычислительных систем включает общесистемное, системное, инструментальное и прикладное обеспечение и по своему объему на несколько порядков превышает средства, устанавливаемые на первых персональных компьютерах. При этом программы приложения, которые непосредственно решают задачу пользователя, как правило, составляют незначительную долю программного обеспечения, установленного на компьютере. Однако пользователь должен иметь ясное представление о всех программах, которые имеются на его машине для эффективного ее использования.
7
Эта книга возникла в результате обработки конспекта лекций по вводным курсам «Информатика» и «Информатика и программирование», прочитанных авторами для студентов ряда групп факультета «А», а также для вечернего факультета МИФИ.
В заключение авторы хотят выразить благодарность сотрудникам МИФИ, оказавшим помощь при подготовке этой книги: Дмитриевой Валентине Викторовне за титанический труд при подготовке рукописи к изданию и героические усилия по «декодированию» рукописных текстов Г.П. Аверьянова, Скрытному Владимиру Ильичу за полезные обсуждения и предоставление ряда ценных материалов по современной информатике, а также Макаровой Марине Викторовне, чье скрупулезное редактирование существенно улучшило книгу.
8
ОСНОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
СОД – средства обработки данных УВВ – устройство ввода-вывода
АЛУ – арифметико-логическое устройство ОП – оперативная память
УУ– устройство управления
ОЗУ – операционное запоминающее устройство СОЗУ – сверхоперативное запоминающее устройство ЦП – центральный процессор
ЗУПВ – запоминающее устройство с произвольной выборкой ПЗУ – постоянное запоминающее устройство ППЗУ – перепрограммируемое постоянное запоминающее
устройство ПУ – периферийные устройства
ВЗУ – внешние запоминающие устройства НМЛ – накопитель на магнитной ленте НМД – накопитель на магнитных дисках НМБ – накопитель на магнитных барабанах
НЖМД – накопитель на жестких магнитных дисках НГМД – накопитель на гибких магнитных дисках АЦПУ – алфавитно-цифровое печатающее устройство ЭЛТ – электронно-лучевая трубка ЖК – жидкокристаллический СПД – система передачи данных ОКОД – одна команда одно данное ОКМД – одна команда много данных МКОД – много команд одно данное МКМД – много команд много данных ИМС – интегральная микросхема ПК – персональный компьютер МП – микропроцессор
САПР – системы автоматизированного проектирования АСНИ – автоматизированные системы научных исследований
9
АТС – автоматическая телефонная станция ООД – оконечное оборудование данных АКД – аппаратура канала данных ЭВМ – электронно-вычислительная машина ГВС – глобальная вычислительная сеть ОС – операционная система
ЛВС – локальная вычислительная система ВОЛС – волоконно-оптические линии связи СТС – сложная техническая система СУБД – система управления базами данных
АСУ – автоматизированная система управления АСУП – автоматизированная система управления производством
АСУТП – автоматизированная система управления технологическими процессами
ППП– пакеты прикладных программ
УПДК – устройство подготовки данных на картах УПДЛ – устройство подготовки данных на ленте ПЛОС – перфоленточные ОС ДОС – дисковые ОС
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота РНК – рибонуклеиновая кислота ОНЧ – очень низкие частоты НЧ – низкие частоты СЧ – средние частоты ВЧ – высокие частоты
ОВЧ – очень высокие частоты УВЧ – ультравысокие частоты СВЧ – сверхвысокие частоты КВЧ – крайне высокие частоты ГВЧ – гипервысокие частоты
10