Informatica_2006
.pdfГосударственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Саратовский государственный медицинский университет» Федерального агентства по здравоохранению и социальному развитию
А. Е. Луньков, К. Н. Дворецкий
ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Учебное пособие
Под редакцией доц. В. А. Дубровского
Издательство Саратовского медицинского университета 2006
2
УДК 681.3:61(07)
ББК 32.81+5я73 Д243
Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с программой курса «Высшая математика и информатика» для студентов медицинских вузов.
В учебном пособии представлены основные материалы по общим принципам работы электронных вычислительных машин, видам программного обеспечения персонального компьютера.
Пособие содержит краткую теорию и задания по освоению студентами работы с наиболее распространенными программными продуктами: операционными системами MS DOS и MS Windows, программой-оболочкой Norton Commander, текстовым редактором MS Word и табличным процессором MS Excel.
Пособие предназначено для самостоятельной и аудиторной работы студентов медицинских вузов.
Рецензенты: доктор физ.-мат. наук, профессор Л. А. Мельников; доктор медицинских наук В. Н. Шемятенков.
Одобрено и рекомендовано к печати центральным координационнометодическим советом СГМУ.
© А. Е. Луньков К. Н. Дворецкий, 2006.
© Саратовский медицинский университет, 2006.
3
Глава 1. Общие принципы работы электронных вычислительных машин
1.1 Способы представления информации в электронных вы-
числительных машинах (ЭВМ)
Компьютер (computer) а переводе с английского означает вычислитель, вычислительная машина. Поначалу электронные вычислительные машины (ЭВМ) предназначались для выполнения различных вычислений и решения математических задач. В этом качестве они имеют предшественников в виде различных вычислительных устройств. От самых древних, простейших вычислительных устройств до современных компьютеров идет общее понятие, объединяющее и счёты, и компьютер. Это понятие – способ представления информации.
Под способом представления информации подразумевается: во-первых, какие элементы изображают числа в данном вычислительном устройстве, вовторых, какие действия с этими элементами эквивалентны математическим операциям с изображаемыми им числами. Например, в счётах способ представления информации основан на изображении целых единиц в виде 10 косточек, нанизанных на спицы, каждая из которых соответствует разряду (единиц, десятков, сотен и т. д.). Операции сложения и вычитания осуществляются перемещением косточек вправо-влево. Такой способ представления информации, где используются дискретные элементы, получил название дискретного или цифрового.
Примером другого - аналогового способа представления информации является логарифмическая линейка, где числа изображаются отрезками длины линейки, в силу чего можно откладывать не только целые, но и любые числа, содержащие дробную часть, т.к. длина линейки – непрерывная величина.
Все известные сейчас вычислительные устройства используют один указанных способов представления информации – аналоговый или цифровой.
Электронные вычислительные машины (ЭВМ) являются электрическими устройствами, содержащими такие же схемы и элементы, как у радиоприёмников, магнитофонов, телевизоров. Поскольку любое электронное устройство осуществляет преобразование электрических сигналов (напряжений), в ЭВМ для изображения чисел должны использоваться напряжения. Наиболее естественным, при этом, представляется аналоговый способ представления чисел:
1 В (мВ, мкВ) – единица, 2 В – двойка, 3.756 В – 3,756 и т.п. То-есть, числа задаются непрерывно изменяемым напряжением. В электронике есть схемы, производящие с напряжениями операции, эквивалентные математическим действиям (делитель напряжения, сумматор, интегратор и др.).
Представление чисел в виде непрерывно изменяемого напряжения действительно использовалось в электронных аналоговых вычислительных машинах (ЭАВМ), однако это направление электронной вычислительной техники оказалось неперспективным. Основная причина – большие погрешности вы-
4
числений, связанные с неизбежными погрешностями установки заданных напряжений и разбросом номиналов всех элементов схем.
Современные компьютеры базируются на другом – дискретном способе представления информации и представляют собой электронные цифровые вычислительные машины (ЭЦВМ).
Для представления чисел (и другой информации) в компьютере имеется тактовый генератор, вырабатывающий прямоугольные импульсы напряжения.
Частота следования импульсов (тактовая частота) в современных компьютерах достигает нескольких сотен МГц (1 МГц соответствует генерации 106 импульсов в секунду!). Момент генерации каждого импульса называется тактом. Все выполняемые компьютером операции состоят из последовательности определённого числа тактов.
Основные устройства компьютера состоят из многих одинаковых элементов, каждый из которых может переводиться в одно из двух состояний импульсом напряжения. Если одно состояние считать нулём (0), а другое – единицей (1), то мы получаем абсолютно точный способ представления в компьютере двух цифр (символов), который не зависит от амплитуды импульса, т.к. импульс просто переводит ячейку в одно из состояний (записывает 1 или 0). Кроме абсолютной точности такой способ представления информации позволяет выполнять не только математические операции с числами, но и обрабатывать любую информацию (текстовую, графическую, звуковую). Единственное условие – любая вводимая в компьютер информация должна представляться в двоичном коде, то-есть, в виде комбинаций из 0 и 1. Эта проблема не так сложна, если вспомнить об азбуке Морзе, алфавит которой также состоит из двух символов: точки и тире. Для записи чисел тоже не обязательно использовать привычные нам 10 цифр, их может быть большее или меньшее чётное число.
Запись любых чисел с помощью только 0 и 1 называется двоичной системой счисления, арифметические действия в которой легко реализуются с помощью ячеек, работающих по принципу «да-нет» или 0-1.
Итак, главная особенность работы компьютеров состоит в том, что все символы клавиатуры, вся обрабатываемая информация, все воспринимаемые команды имеют свой двоичный код, поскольку «язык» самого компьютера состоит из двух символов 0 и 1. Устройства компьютера могут выполнять четыре арифметических действия с числами, представленными в двоичной системе счисления, а также выполнять элементарные логические операции с информацией, представленной в двоичном коде.
Всё многообразие возможностей современных компьютеров основано на сведении любой команды к последовательности элементарных действий, которые могут быть выполнены арифметико-логическим устройством (АЛУ) компьютера. Эта последовательность операций является программой. Программирование работы компьютера представляет единственно возможный способ использования его огромного быстродействия.
5
1.2 Память компьютера. Виды памяти.
Для работы по программе, без вмешательства оператора компьютер должен иметь устройство, в котором эта программа записана, то-есть, память.
В компьютерах используется три вида памяти:
•оперативная память – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
•постоянная память – постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
•долговременная (внешняя) память – магнитные диски (дискеты). Оперативная память компьютера предназначена для хранения программы,
выполняемой в данный момент. В процессе работы идёт постоянный обмен информацией между ОЗУ и АЛУ компьютера. Поэтому оперативная память имеет самую высокую скорость записи – считывания информации.
ОЗУ состоит из элементов, способных сохранять состояние 1 или 0, которые объединяются в ячейки. Каждая ячейка содержит не менее восьми таких элементов и может хранить «машинное слово», состоящее из восьми или более 0 и 1. Все ячейки ОЗУ имеют адреса (номера), благодаря которым запись
– считывание может производиться в любое место, которое задаётся адресом ячейки.
Оперативная память – энергозависима, при выключении питания компьютера вся информация в ОЗУ стирается.
Постоянная память предназначена для хранения различных служебных программ (первоначальной загрузки компьютера, встроенного календаря и часов), значений констант и других неизменных данных. Содержимое ПЗУ не может быть изменено и сохраняется как в рабочем, так и в выключенном состоянии компьютера.
Любая программа при её создании записывается в ОЗУ компьютера. Так как составление и отладка программы – сложный и трудоёмкий процесс, а содержимое ОЗУ при выключении компьютера стирается, при работе с компьютером необходима долговременная память, в которой информация может храниться сколь угодно долго. Кроме того, существует необходимость переноса информации с одного компьютера на другой.
В качестве долговременной (внешней памяти) в компьютерах используются магнитные диски, запись информации на которые использует те же явления, что и в аудио- и видеомагнитофонах. Устройства записи – считывания в компьютерах называются дисководы. В отличие от магнитофонов, в которых запись происходит на ленты, магнитные диски в дисководах при записи - считывании лишь поворачиваются вокруг оси, но при этом и магнитная головка может перемещаться по радиусу диска. В результате этого запись – считывание может производиться в любое место диска, определяемое номером секторов, на которые разбита поверхность диска.
1.3 Единицы ёмкости памяти.
Каждый тип запоминающего устройства или носителя информации имеет определённую ёмкость, то-есть, максимальное количество информации, ко-
6
торое может быть записано или сохранено. Для оценки количества информации используются специальные единицы измерения – бит и байт,
Поскольку любая информация в компьютере представляется в двоичном коде, основной единицей измерения количества информации является бит (bit от англ. binary digit – двоичный счёт). Число 21, записанное в двоичной системе счисления –10101, содержит 5 бит – по числу двоичных символов. Для измерения ёмкости запоминающих устройств используется более крупная единица – байт = 8 бит. При минимальной ёмкости ячейки ОЗУ в 8 бит в неё может быть записано 256 различных комбинаций 0 и 1, то-есть, 256 различных двоичных кодов.
Производные от байт единицы: килобайт (кб) = 103 байтам мега байт (Мб) = 106 байтам гигабайт (Гб) = 109 байтам.
300 кб соответствуют примерно 100 стр. машинописного текста. Ёмкость дискет персональных компьютеров составляет обычно 1,44 Мб, ёмкость жёсткого диска доходит до нескольких Гб, ёмкость ОЗУ колеблется от 640 кб в первых моделях IBM-компьютеров до 128 Мб – 256 Мб в современных.
1.4 Устройство персонального компьютера (ПК).
Как и другие радиоэлектронные приборы, ЭЦВМ от первых моделей до современных компьютеров претерпели существенные изменения. Они касаются не рассмотренных принципов работы и состава, а конструктивного оформления, которое на каждом этапе развития вычислительной техники определялось элементной базой.
Первые модели ЭВМ собирались на основе дискретных элементов радиоэлектронных схем: сопротивлений, конденсаторов, электровакуумных радиоламп. Большое число таких элементов и их соединений образовывали общую схему, которая размещалась в десятках металлических шкафов, требующих для размещения больших залов. Помимо этой необходимости, «дедушки» современных компьютеров потребляли много электроэнергии, но самое неприятное – часто выходили из строя из-за нарушения контактов в огромном количестве соединений. Этому способствовала высокая температура в многочисленных шкафах ЭВМ, повышавшаяся за счёт накала катодов ламп.
Следующий этап был связан с переходом от электровакуумных приборов к их полупроводниковым аналогам – диодам и транзисторам. Их малые размеры, отсутствие разогреваемого катода, малые напряжения питания позволили решить многие из вышеназванных проблем, кроме проблемы надёжности работы, которая по-прежнему ограничивалась большим числом соединений отдельных элементов.
Элементной базой современных компьютеров являются интегральные схемы – многослойные полупроводниковые структуры, в объёме которых
7
с помощью последовательности определенных технологических операций создаются сразу и отдельные элементы схемы, и их соединения. 1
В компьютерах используются несколько больших интегральных схем – БИС, причём понятие «большая» относится не к размеру, не превышающему размера спичечной коробки, а к количеству отдельных микроэлементов схемы, достигающему сейчас 104 на 1 мм3 объёма полупроводниковой структуры. Интегральные схемы позволили не только существенно миниатюризировать и повысить надёжность компьютеров, но и уменьшить их стоимость. С учётом этих возможностей, американская фирма IBM в 1981 г. выпустила свой первый персональный компьютер IBM PC, ставший наиболее распространённым типом ПК.
Минимальная комплектация ПК, позволяющая работать на нём, включает системный блок, монитор и клавиатуру. Собственно компьютером является системный блок, тип которого и определяет модель и все основные характеристики компьютера. Монитор и клавиатура относятся к необходимым внешним устройствам, позволяющим работать с компьютером.
Блок – схема системного блока персонального компьютера приведена на рис.1.1
Рис. 1.1
1 Идея и технология получения интегральных схем были разработаны в 1959 г. Р. Нойсом, будущим основателем фирмы Intel.
|
|
8 |
|
|
В системный блок входят: |
||
• |
Блок питания; |
• |
Жёсткий диск; |
• |
Процессор; |
• |
Дисковод для дискет; |
• |
Оперативная память (ОЗУ); |
• |
Адаптеры внешних устройств; |
• |
Постоянная память (ПЗУ); |
• |
Шина данных. |
Блок питания состоит из выпрямителя и стабилизатора и предназначен для преобразования переменного напряжения сети в постоянные напряжения, необходимые для питания компьютера.
Процессор является основной интегральной схемой компьютера, включающей тактовый генератор, АЛУ, центральное устройство управления и другие основные устройства. Модель процессора определяет и модель компьютера в целом, т.к. он задаёт основные характеристики компьютера. В IBM компьютерах всегда используются процессоры фирмы Intel, начиная с процессора 8088 и затем последовательно 80286, 80386, 80486 до Pentium. Соответственно появлялись и модели ПК: IBM-286, IBM-386, IBM-486 и самый современный Pentium.
ОЗУ и ПЗУ также представляют собой отдельные интегральные схемы, назначение которых обсуждалось выше.
Жесткий диск (винчестер) представляет собой алюминиевый диск, поверхности которого покрыты слоем материала для магнитной записи. Сам диск и дисковод представляют единое устройство, целиком находящееся в системном блоке.
Дисководы для дискет представляют собой устройства записи-считывания,
вкоторые могут вставляться «гибкие» диски – дискеты, служащие для переноса информации с одного компьютера на другой. Дискеты представляют собой пластиковые диски, также покрытые магнитным слоем и помещенные
встандартные корпуса, в которых они и вставляются в дисководы.
Для задания местонахождения информации диски компьютера имеют стандартные названия (имена).
В компьютерах устаревших моделей системный блок имел два дисковода: 5,25” - для 5-ти дюймовой дискеты и 3,5” – для дискеты 3,5 дюйма. При этом 5,25” – дискета имела имя A: (диск А: ), а 3,5”– дискета – имя В: (диск В:).
Системные блоки компьютеров последних моделей имеют только 3,5”– дисковод, где 3,5”–дискета имеет имя А: (диск А: ).
Во всех моделях ПК жёсткий диск имеет имя С: (диск С:). Специальной командой жёсткий диск можно разбить на автономные части, имеющие раздельный доступ как различные диски, которым присваиваются имена D:, E:, F: и т.д. по латинскому алфавиту.
Адаптеры (контроллеры) внешних устройств представляют собой микросхемы для управления работой внешних устройств, подключаемых к компьютеру: клавиатуры, монитора, мыши, принтера и других. Они соединены со специальными разъёмами для подключения внешних устройств, которые расположены на задней стенке системного блока. Адаптеры позволяют
9
управлять работой внешних устройств по специальным программам – драйверам, которые записываются на жёсткий диск компьютера. Необходимость использования драйверов связана с разными режимами работы и настройками внешних устройств (например, переключение клавиатуры с латинского алфавита на русский).
Шина данных обеспечивает соединения различных устройств системного блока через специальные разъёмы (слоты), позволяющие легко отсоединять отдельные элементы при необходимости их замены.
Кроме обязательных – монитора и клавиатуры, в ПК могут применяться другие внешние устройства. Наиболее распространёнными из них являются:
Мышь – ручной манипулятор для ввода информации в компьютер, заменяющий клавиши перемещения курсора и клавишу ввода (Enter);
Принтер – устройство для распечатки документов; Модем – устройство подключения компьютера к телефонной сети для
вхождения во внешнюю компьютерную сеть; Сканер – устройство для считывания информации «с листа» с возможно-
стью последующего ввода её в компьютер;
CD-ROM – устройство считывания компакт-дисков (лазерных дисков), более надёжных и значительно больших по ёмкости по сравнению с дискетами.
Конструкция сопряжённых разъёмов и их гнёзд, расположенных на задней стенке системного блока, позволяет просто и безошибочно подключать новые внешние устройства к компьютеру. Однако работать с вновь подключённым устройством можно лишь после установки на жёсткий диск специальной программы управления устройством – драйвера. Как правило, драйверы продаются вместе с приобретаемым устройством или входят в установочный пакет операционной системы компьютера.
Управление компьютером, создание различных документов осуществляется с помощью клавиатуры и монитора. Функции монитора сводятся к обеспечению постоянного «диалога» пользователя с компьютером в виде наблюдаемых на экране результатов действий пользователя и запросов компьютера при необходимости выбора тех или иных действий (окна диалога). Монитор выполняет эти функции автоматически, то-есть, практически не требует управления своей работой со стороны пользователя. Клавиатура, наоборот, служит для постоянного использования в процессе работы на ПК и поэтому освоение компьютера начинается с освоения его клавиатуры.
1.4.1 Клавиатура компьютера
Общий вид клавиатуры современных ПК приведён на рис. 1.2 Клавиши клавиатуры объединяются в четыре основных группы:
•1 – алфавитная группа клавиш;
•2 – клавиши управления курсором;
•3 – цифровая группа клавиш;
•4 – функциональные клавиши.
10
Буквенные клавиши 1 группы используются для набора текстов или команд. Они имеют двойную, англорусскую символику, причём, способ переключения с основной, английской, раскладки на русскую (или иную национальную) специально оговаривается в каждой программе. В любой программе переключение становится возможным только после установки на жёсткий диск компьютера специальной программы – драйвера переключения клавиатуры.
Расположение буквенных клавиш соответствует их стандартному расположению на клавиатуре пишущих машинок. Набор ЗАГЛАВНЫМИ буквами происходит при нажатой клавише Shift. При этом вводятся также верхние символы, изображённые на клавишах этой группы (символы верхнего регистра). Клавиша Caps Lock фиксирует режим ввода заглавных и символов верхнего регистра, при этом загорается индикатор Caps Lock, расположенный над 3 группой клавиш. Отмена ввода заглавных букв происходит при повторном нажатии клавиши Caps Lock. Пробел между словами вводится длинной клавишей (Space), расположенной в центре нижнего ряда клавиш.