Последнее редактирование Сарбаева, Надира Маматкуловна Почти 12 года (лет) назад

 

 

 

Лекции по Информатике.doc 

 

 

 

 

 

 

КУРС ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ИНФОРМАТИКА

           

 

                                           

 

 

                                 

 

 

Составитель: профессор кафедры Информатика

                                                                     д.ф.-м.н. Кабаева Г.Д.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лекция 1

Понятие об информации, ее виды, формы представления, свойства.

Цель: Ознакомление с основными понятиями и приобретение теоретических знаний  по теме 1.1. «Данные и  информация. Формы представления информации. Атрибутивные свойства информации, показатели качества информации. Хранение кодирование и преобразование данных».

 

      Накопление человечеством опыта и знаний при освоении природы связано непосредственно с освоением информации.  Информация в переводе с латинского языка означает: разъяснение, изложение чего-либо или сведения о чем-либо. Во всех отраслях человеческой деятельности происходит непрерывное накопление, потребление и обработка информации. Понятие обработки информации появилось сравнительно недавно, но обрабатывать информацию люди начали еще в древние времена. Сначала из поколения в поколение информация передавалась устно, или в виде графических образов (наскальные рисунки).

            Новым шагом человечества в области хранения и передачи  информации явилось появление письменности. Изобретение печатного станка привело к появлению книги и , таким образом появилась возможность широкого распространения профессиональных знаний, зафиксированных на материальном носителе. Следующее революционное изобретение прошлого века –электронно-вычислительная машина или компьютер. В совокупности с линиями связи, такими, как проводная, радио-, спутниковая и оптическая, компьютер делает доступным огромный поток информации.

     Для нашего времени характерно стремительное развитие  науки, техники и новых технологий. Если от изобретения книгопечатания (середина ХV века) до изобретения радиоприемника ( 1895 год) прошло около 440 лет, то между изобретением радио и телевидения – около 30 лет. Разрыв во времени между изобретением транзистора и интегральной схемы, которые представляют элементные базы различных поколений электронно-вычислительных машин (ЭВМ)  составил всего 5 лет. Начиная с XVII века, объем  накопления научной информации удваивался примерно каждые 10 – 15 лет. Подсчитано, что современный специалист должен тратить около 80% своего рабочего времени, чтобы уследить за всеми новыми печатными работами в его области деятельности.

   

 Понятие об информации, ее виды и свойства.

      Информация - важнейший ресурс управления.

Существует множество определений информации, что обусловлено сложностью, специфичностью и многообразием подходов к толкованию сущности этого понятия.

     Одной из них является  концепция К. Шеннона, которая отражает количественно-информационный подход, определяя информацию как меру неопределенности события. Информация в этом контексте включала все виды сообщений, в том числе те, которые передаются по нервным волокнам в живых организмах. Шеннон предложил измерять информацию в математическом смысле, сводя ее к выбору между двумя значениями, или двоичными разрядами, — «да» или «нет», заложив таким образом фундамент современной теории связи, которая в настоящее время играет важную роль во многих областях. Этот подход не учитывал смысловую сторону информации.

   ШЕННОН (Shannon) Клод Элвуд (р. 1916, Гэйлорд, шт. Мичиган), американский инженер и математик. Один из создателей математической теории информации, разработал принципы логического устройства компьютера, соединив булеву алгебру с работой электрических схем. Внес большой вклад в развитие современной информатики и вычислительной техники. Основные труды по теории релейно-контактных схем, математической теории связи, кибернетике. В 1948 опубликовал работу «Математическая теория связи», в которой представил свою унифицированную теорию передачи и обработки информации.

     Следующая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Ее появление связано с развитием кибернетики и основано на утверждение, что информацию содержат любые сообщения, воспринимаемые человеком или приборами.

В этом контекстк  «информацию несут не только испещренные буквами листы книги или человеческая речь, но и солнечный свет, складки горного хребта, шум водопада, шелест травы». Другими словами, информация как свойство материи создает представление о ее природе и структуре, упорядоченности разнообразии. Она не может существовать вне материи, а значит, она существовала, и будет существовать вечно, ее можно накапливать, хранить, перерабатывать.

      Третья концепция основана на логико-семантическом (семантика – изучение текста с точки зрения смысла) подходе, при котором информация трактуется как знание, причем не любое знание, а та его часть, которая используется для определения направления развития, для активного действия, для управления и самоуправления. Другими словами, информация – это действующая, полезная, «работающая» часть знаний.

На основе этих  концепций в информатике обычно принимается следующее наиболее полное понятие: - Информацию можно определить как набор сведений об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся в них степень неопределенности.  Иначе говоря, информация это сведения, изменяющие наши знания и понимание окружающего мира.

Информация не может существовать без своего материального носителя – средства хранения или переноса информации в пространстве и во времени. Если носителем информации является не наблюдаемый непосредственно физический объект, а энергетический субстрат, то информация представляется в виде сигналов: световых, звуковых, электрических и т.д.

      Особенность  информации в том, что будучи материальным явлением она не является ни материей, ни энергией. Считается, что информация вместе с такими фундаментальными категориями, как вещество, поле и энергия, проявляет себя в процессах реального мира –процессах саморазвития и самоорганизации.

С точки зрения теории управления информация- это отражение одного объекта в другом, используемое для формирования управляющих воздействий. Использование информации в управлении и самоуправлении опирается на наличие связи между объектами системы, источниками информации и ее получателями. При этом сила и направленность влияния информации на получателя зависит от степени соответствия информации возможностям и потребностям получателя. Обмен информацией совершается не между любыми объектами, а только между теми из них, которые представляют собой систему, обладающую каким- минимумом организованности.

Любая материальная форма проявляет себя благодаря своей организации и ощутимым границам в окружающем мире. Когда между некоторыми ее исходными объектами устанавливаются устойчивые отношения, происходит ее самоорганизация в пространстве и в каком-либо отрезке времени. При этом ее элементы упорядочиваются и ведут себя как целостная система и можно говорить о том, что она имеет определенное строение (морфологию). Строение определяется как есть носитель внутренней информации реальной сущности, характеризующей ее физико-химическую основу, поведение и воспроизведение. Чем выше степень информированности об организации, структуре этой сущности, тем более предсказуемо ее поведение.

Живые формы природы обладают способностью накапливать энергию, извлекать и осваивать получаемую информацию и сохранять устойчивость и внутреннее равновесие или гомеостазис (homeostasis гомео–устойчивое, стазис - состояние) в широком диапазоне изменений внешних условий. Их поддержание и развитие происходит вследствие появления наследственной памяти, хранящей генетическую информацию. Живые организмы рождаются, растут и развиваются, им необходимо питание, извлекают и обмениваются информацией, энергией и вещества с окружающей средой и неживой природой. Информация из окружающей среды извлекается различными органами чувств и фиксируется в биологической памяти.

Человек – высшая многоуровневая организационная форма природы на Земле. Биологическая память человека объединяет воедино разнообразные функционально определенные уровни памяти. Память – форма психического отражения реальности, является основой мыслительной деятельности и психики человека. Память создана природой из нервных клеток-нейронов. Нервная система способна не только хранить информацию об организации и внешней среде, но и накапливать ее. Накопление информации предполагает генерацию и синтез на ее основе новой информации. Благодаря свойствам памяти обеспечиваются способности человека узнавать, вычислять, рассуждать и передавать информацию другим людям.

 

Виды информации

Информация группируется по различным признакам:

  • по области возникновения;
  • по способу передачи и восприятия;

В зависимости от области возникновения  существуют следующие ее виды:

  • информация о явлениях природы;
  • биологическая информация;
  • социальная информация;
  • экономическая информация

По способу передачи и восприятия различают следующие виды информации:

  • визуальная (видимыми образами);
  • аудио (звуковая);
  • тактильная или осязательная (ощущениями);
  • органолептические (запахами и вкусами);
  • воспринимаемую и выдаваемую средствами вычислительной техники.

С учетом природы информацию можно разделить на естественную и искусственную, которая создается людьми.  Информация создаваемая и используемая человеком может быть личной, массовой и специальной.

Социальная информация характеризует общественные процесс в целом - экономические, политические, социальные, демографические, культурно-духовные.

Экономическую информацию можно определить как совокупность сведений, отражающих социально- экономические процессы и служащие для управления этими процессами.

 

Формы  представления информации.

 Существуют  различные формы  представления информации:

  • символьная - буквы, цифры, знаки (н-р, дорожные)
  •  текстовая  - используются также символы, как и в предыдущем случае, но информация заложена не только в этих символах, но и в их сочетаниях, порядке следования (мир, Рим, ток, кот).
  • графическая –является наиболее емкой и сложной (фотографии, схемы, чертежи, рисунки).

Необходимость во взаимодействии человека со сложными техническими системами заставляет человека создавать средства общения с ними, называемые ныне понятием пользовательский интерфейс. Человек воспринимает окружающую его действительность органами чувств – биосенсорами.   Поэтому технические средства должны воздействовать на них и воспринимать вводимую информацию в удобной ему форме. Существующие сейчас подходы к созданию пользовательского интерфейса ориентированы, прежде всего, на использование таких биосенсорных форм представления  семантической информации как:

1)      аудио - информация воздействует на слух человека и возможно голосовое общение. Содержание озвучивается синтезируемыми звуками;

2)      визуальная - при такой форме информация воздействует на зрение. Причем визуальная информация задается: текстом; художественными образами; изображением - информация представляется графически и средствами изобразительных искусств

3)      ароматическая -  информация представляется запахами, воздействующими на обоняние и косвенно на вкус. Некоторые фирмы (н-р, DigiScents) предлагают ароматотехнологии для компьютерных игр и электронной коммерции;

4)      тактильная - такая информация есть результат восприятия  механических и тепловых воздействий на части тела человека. Ныне ряд фирм предлагают тактильные технологии с манипуляторами типа мышь, оказывающими механическое воздействие на руку пользователя при приближении к экранным объектам. В частности такая технология для работы в Web-среде предлагается фирмой Novint Technologies.

Наибольшее распространение получили представления, объединяющие две и более форм, к их числу относятся, например, текстовое – изобразительное, аудиовизуальное, мультимедийное представление.

На практике требуется преобразования различных форм представления информации об объекте при неизменном сохранении ее смысла. В настоящее время возможно преобразование текстовой формы в аудио, или изобразительную. Единой теории преобразования содержания информации из одной формы представления в другие пока нет. До сих пор эта деятельность остается прерогативой человека. В тоже время существует необходимость в компьютерных системах, способных выполнять подобные преобразования.

 

Свойства информации.

Свойства информации отражают ее качество, от которого зависят эффективность и качество функционирования системы. Качество информации определяют как совокупность свойств, обусловливающих возможность ее использования для удовлетворения потребностей, определенных в соответствии с ее назначением. Благодаряпсихике человек по разному воспринимает и истолковывает тот или иной знак принятой знаковой семиотической системы, фиксирующей информацию. В связи с этим рассматривают следующие аспекты (анализа и синтеза)информации:

  1. Прагматический – характеризует потребительскую ценность информации с позиции преследуемой цели и наилучшего способа ее достижения;
  2. Семантический – определяетсмысловое содержание информации или соответствие образа, знака и объекта, т.е. отношение информации источнику. ;
  3. Синтаксический – задает правила построения и преобразования сложных знаковых выражений без учета смыслового содержания информации, а также ограничения на комбинаторику и частоту использования знаков; На синтаксическом уровне учитываются: тип носителя; способ представления; скорость передачи и обработки информации; формат кодов предсталения информации; надежность и точность преобразования информации.
  4. Аффектный – отражает эстетическое восприятие и воздействие знака.

 


Некоторые характеристики информации

 

Возможность и эффективность использования информации для управления  обусловливают следующие свойства информации: правильность или репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, своевременность, устойчивость, точность, достоверность, актуальность и ценность.

Правильность или репрезентативность - качественная адекватность отражения заданных свойств объекта, зависит от правильности ее отбора и формирования. Нарушение репрезентативности приводит к существенным ее погрешностям, называемым алгоритмическими.

Содержательность информации – это ее удельная семантическая емкость, равная отношению количества семантической информации Ic в сообщении к объему данных Vd, его отображающих, т.е. S = Ic/Vd.

Достаточность (полнота) информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения набор определенных показателей. Понятие достаточности информации связано с ее смысловым содержанием (семантикой) и прагматикой.

Доступность информации для восприятия обеспечивается  выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования., т.е. преобразования ее к доступной и удобной для восприятия пользователем формы.

Актуальность информации – это свойство информации сохранять свою полезность ( ценность) для управления во времени. Измеряется актуальность информации А(t) степенью сохранения начальной ценности информации Z(to) в момент времени t ее использования:  А(t)= Z(t) /Z(to), где Z(t) – ценность информации в момент времени t.

Своевременность информации - это свойство информации, обеспечивающее возможность ее использования в заданный момент времени.

Точность информации – это степень близости отображаемого информацией значения  и истинного значения данного параметра.

Достоверность информации – это свойство информации отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Уровень соответствия (или адекватности) информации той или иной ситуации позволяет говорить об истинности информации. Она выявляется только в случае результативности использования информации. Однако даже ненужная информация может в дальнейшем оказаться полезной. Поэтому вполне оправданы добыча и накопление информации впрок.

Полезность информации проявляется в степени ее содействия осуществлению в определенном объеме пространства - времени некоторого события, в котором оно иначе бы не произошло. Эта характеристика темнейшим образом связана с количественной мерой: чем в большей степени снята информационная неопределенность, тем больше вероятность достижения цели.

Ценность информации имеет соответствующее значение лишь в конкретной ситуации и по отношению к конкретной цели, к решению конкретной задачи. В общем случае ценность информации зависит и от уровня понимания смысла и субъективно оцениваемой полезности. Например, глубина постижения художественного образа, созданного скульптором, тем значительнее, чем более подготовлен и образован человек. Это касается и осознания значимости результатов научной и инженерной деятельности.

Устойчивость информации-свойство результатной информации реагированть на изменения исходных данных, сохраняя необходимую точность.

Целевая функция информации (ее прагматический аспект) характеризуется способностью влиять на процессы управления, на соответствующие целям управления поведения людей. Информация представляет интерес, если она кому-то нужна для использования с той или иной целью. Специфика использования информации определяется ее смысловым содержанием. С необходимостью информации связаны ее полезность и ценность.

Количество информации позволяет определить состояние либо поведение объекта, процесса с наперед заданной точностью, вне зависимости от природы потребителя. Основой для количественного оценивания служит результат анализа структурного состава и свойств элементов, посредством которых информация  представляется. Оценивание предполагает существование какой-либо меры информации (единицы измерения).

 

 

                                                                 Меры информации

            Информация может быть оценена количественно и качественно. При измерении информации принято говорить о количестве информации и об объеме данных. Количество информации нередко используется в оценке показателей качества информации (например, правильности отбора информации, достоверности, достаточности, полноты и своевременности ее получения). Часто выделяют три подхода, согласно которым устанавливают количество информации в сообщении: структурный (синтаксическая мера), статистический (синтаксическая и семантическая мера) и прагматический (прагматическая мера).

Структурный подход, ориентирован на синтаксическую сторону информации, и рассматривает дискретное строение массивов информации, которая оценивается числом информационных элементов, либо возможных их комбинаций при кодировании. Объем данных в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) принятого алфавита системы счисления в этом сообщении. Одно и то же количество разрядов  N  в различных системах счисления могут передать разное число состояний Q отображаемого объекта: Q =mN , где m –основание системы счисления. Например, три  разряда в двоичной системе счисления могут передать  23=8 состояний, три разряда в десятичной системе счисления -103 состояний.   Поэтому в различных системах счисления один разряд имеет различный вес и различную единицу измерения данных: в двоичной системе единицей измерения служит бит(сокр. от Binary digits, а в десятичной  - дит.  Степенная зависимость числа состояний от количества разрядов делает эту меру неудобной. В 1928 г. Хартли ввел аддитивную двоичную логарифмическую меру информации: I = log2Q = N log2m. Такую меру информации, по которой количество информации измеряется в двоичных единицах – битах, называют мерой Хартли. Согласно Хартли, потенциальное количество информации, передаваемое одним битом, имеет два возможных варианта значений  0 или 1(да/нет): log22=1 бит. Аддитивной мера обеспечивает сложение количества информации, получаемой в независимых сообщениях.

Количество информации, содержащееся в единице различных систем счисления различно. Например, одна десятичная единица по формуле Хартли занимает  I = log210 »3,32 бит, число, записанное в восьмеричной системе счисления, занимает I = log28 »3 бит; шестнадцатеричное число- I = log216 »4 бита.

Статистический подход основан на учете элементов случайности и ориентирован как на синтаксическую, так и на семантическую сторону информации, базируется на понятии энтропии (мера вероятности пребывания системы в данном состоянии (принцип Больцмана)) и служит для оценки меры информационной неопределенности, учитывающей вероятность появления тех или иных сведений. Под вероятностью события, как известно, понимается отношение числа благоприятных исходов к общему числу несовместимых равновозможных исходов. Как, например, при подбрасывании монеты равновероятно как выпадение орла, так и выпадение решки. Вероятность этих событий равна p1 =p2=1/2. Они составляют собой полную группу, в которой реализуется одно из событий, т.е. p1+p2=1. Вероятность случайного события лежит между 0 и 1. Если вероятность события равна 0, то реализация этого события невозможна. Равновозможные несовместимые  события представляют собой множество значений {x1, x2,…, xn} дискретной случайной величины X.

К.Шенноном была предложена формула для определения среднего количества информации в сообщении:

                             ,

где  N – количество элементов, определяющих сообщение; pi – априорная вероятность что система находится в i-том состоянии; log2 pi–количество информации в битах, доставляемой элементом xi сообщения. Информацию H, определяемую по формуле К. Шеннона, называют информационной энтропией. Она характеризует информационную неопределенность каждой ситуации и является неотрицательной величиной. Когда вероятность всех событий одинакова, т.е.  p1=p2=…=pN= 1/N, энтропия имеет наибольшее значение  или H=log2 N бит.  При этом вероятностная или статистическая мера совпадает с формулой Хартли. 

Получение информации связано с изменением степени  неосведомленности получателя о состоянии системы. Если, до получения информации могли иметь некоторые предварительные (априорные) сведения  о системе a, тогда мера неопределенности об этой системе H(a) и является для него мерой неопределенности системы. После получения некоторого сообщения b, приобретается дополнительная информация  Ib(a), уменьшившую его первоначальную неосведомленность.  Таким образом, апостериорная неопределенность (после получения сообщения) состояния системы становится  H(a/b). Тогда количество информации Hb(a) о системе a, полученное в сообщении b, будет определено как Ib(a)= H(a) - H(a/b), что свидетельствует о том, что количество информации измеряется  уменьшением неопределенности состояния системы. И если конечная неопределенность H(a/b), примет значение равное нулю, то первоначальное  неполное знание заменится полным знанием и количество информации о системе станет  Ib(a)= H(a).

Семантическая мера информации используется для измерения смыслового содержания информации и может рассматриваться только в единстве информации и получателя. Для измерения смыслового содержания информации, т.е. ее содержания на семантическом уровне известна тезаурусная мера информации  Ю.А. Шрейдера. Эта мера связывает семантические свойства информации со способностью получателя воспринимать полученное сообщение.

Прагматический подход связан с оцениванием смысла и полезности или ценности информации  для пользователя. Эта мера является величиной относительной, обусловленной особенностями использования информации в той или иной системе управления. Например, в системах экономического управления ценность информации определяется эффективностью осуществляемого на его основе управления, т.е. приростом экономического эффекта функционирования этой системы управления.

В инженерной практике иногда оценивается значимость смыслового содержания информации. Для этой цели применяются такие меры, как

  • мера содержательности, ориентированная на оценку смысла функции истинности и ложности логических высказываний;
  • мера целесообразности информации, предложенная А.А.Харкевичем в виде соотношения:  I=log2(p1/p0), где  p0, p1 – вероятности достижения цели до и после получения информации, причем при дезинформации  p1< p0.

 

 

1.6. Информационные процессы

Получение информации. Источниками информации служат реальный мир, накопленный человечеством опыт и мыслительные процессы человека. Наиболее важными процессами получения информации являются наблюдение и эксперимент, счет и измерение, сравнение.

Наблюдение – процесс систематического целенаправленного восприятия и фиксации объекта (процесса, явления) в целом либо отдельных его свойств без существенного вмешательства в поведение объекта с помощью основных органов чувств человека.

Эксперимент – система операций, воздействий и/или наблюдений, направленных на получение информации об объекте при его испытаниях[1].

Сбор информации процесс получение осведомляющей информации от множества источников информации.

Передача информации– процесс транспортирования на расстояния сведений от источников к потребителю. Путь по которому транспортируется информация называется каналом (трактом) передачи.

Преобразование информации – изменение свойств носителя с целью задания такой формы проявления информации, которая удобна для реализации информационных процессов.

 

 

 

Лекция 2

Предмет информатики, важные понятия информатики. Основные направления развития  информатики.

Цель: Приобретение теоретических знаний по теме 1.1. «Определение и роль информатики. Важные понятия информатики. основные направления развития информатики».

 

Применение ЭВМ послужило основанием для создания новой информационной технологии, позволяющей не только накапливать, хранить, перерабатывать информацию, но и получать новую информацию, новые знания. В этом состоит коренное отличие компьютеров от возможностей любой другой информационной техники – средств связи, проекционной аппаратуры, телевидения. Эти устройства воспроизводят информацию в том виде, в каком она подается на их вход. В таких случаях говорят, что количество информации на выходе устройства не превышает ее количества на входе. Информация на выходах компьютерных сетей   отличается от  информации на входах примерно так, как нерешенная задача отличается от решенной. В получении новых сведений, новых данных, количественно и качественно отличающихся от исходных, вводимых данных, и состоит сущность толкования компьютера как усилителя интеллекта. Так как для этой цели проделывается огромная предварительная работа: по созданию вычислительной машины, принципов ее функционирования, по соответствующей подготовке задач для решения их с помощью этой вычислительной машины.

Увеличение информации и растущий спрос на нее обусловили появление отрасли, связанной с автоматизацией обработки информации – информатики. Слово «информатика» появилась в начале 60-годов во французском языке от  слов “information”- информация,  и   “ automatique” – автоматика. Таким образом, информатика  представляет область научно-технической деятельности, связанной с исследованием процессов получения, передачи, обработки, хранения, представления информации, решением проблем создания, внедрения и использования информационной техники и технологий.

     Современная информатика сложилась в недрах математики и кибернетики, системотехники и электроники, логики и лингвистики. Основные научные направления информатики образуют такие дисциплины, как теоретические основы вычислительной техники, статистическая теория информации, теория вычислительного эксперимента, алгоритмизация, программирование и искусственный интеллект.  Как самостоятельная наука информатика возникла на базе сформировавшейся в конце 40-х  гг. кибернетики – науке об общих принципах управления в различных системах: технических, биологических, социальных. 

      Естественные науки изучают закономерности  природы; общественные - изучают закономерности развития человеческого общества; кибернетические науки - это науки, связанные с изучением закономерностей передачи и обработки информации в объектах, явлениях и процессах, происходящих в природе и обществе. кибернетика способствовало тому, что классическое представление о мире, состоящем из материи и энергии, уступило место представлению о мире состоящем из трех составляющих: материи, энергии и информации, т.к. без информации немыслимы организованные системы.

В 1978 г. в Японии проходил Международный конгресс, который дал следующее определение: «Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой , созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а так же комплекс промышленного, коммерческого, административного, социального и политического воздействия».

 Таким образом,  информатика это наука о свойствах и структуре информации, о законах и методах получения и измерения, накопления и хранения, переработки и передачи информации с использованием математических и технических средств.

       Но понятие «информатика» неоднозначно, и следует различать: информатику как науку, информационные технологии,  отрасль промышленности. Учитывая это, под информатикой будем понимать интегральную научно-практическую дисциплину, которая  решает следующие задачи:

  • Исследование информационных процессов любой природы;
  • Разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов;
  • Решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.

      Информатика как наука о технологии информации рассматривает следующие группы основных вопросов:

  •  технические, связанные с изучением методов и средств надежного сбора, хранения, передачи, обработки и выдачи информации;
  • семантические, определяющие способы описания смысла информации, изучающие языки ее описания;
  • прагматические, описывающие методы кодирования информации;
    • синтаксические, связанные с решением задач по формализации и автоматизации некоторых видов научно-информационной деятельности, в частности индексированное, автоматическое реферирование, машинный перевод.

      Смежными дисциплинами с информатикой являются кибернетика и вычислительная техника, которые во многих случаях решают общие задачи, связанные с переработкой информации. Информатика существует для помощи другим наукам и вместе с математикой снабжает их методами исследований и обработки информации.

     К числу основных особенностей информатики относят ее высокую наукоемкость, использование новейших достижений различных наук – математики, семиотики, теории моделирования, теории алгоритмов и других.

 

СЕМИОТИКА (от греч. semeion — знак, признак), наука, исследующая способы передачи информации, свойства знаков и знаковых систем в человеческом обществе (главным образом естественные и искусственные языки, а также некоторые явления культуры, системы мифа, ритуала), природе (коммуникация в мире животных) или в самом человеке (зрительное и слуховое восприятие и др.). 

 

Основные направления развития информатики:

  • разработка и спецификация моделей процессов реального мира для получения новой информации о закономерностях их возникновения и развития;
  • алгоритмизация и программирование моделей для их интерпретации в среде ЭВМ;
  • организация вычислительного и имитационного эксперимента с моделью;
  • организация интеллектуального предметно-ориентированного интерфейса пользователя с интерпретирующей средой ЭВМ;
  • организация сетевых структур передачи информации с множественным доступом на основе концепции открытых систем;
  • организация процессов хранения и поиска информации на основе концепции баз данных;
  • создание новых информационных технологий на основе концепции искусственного интеллекта.

 

Важные понятия информатики.

Информатизация - организационный социально-экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов.

Информационная потребность- потребность в своевременном получении полной и достоверной информации в нужной форме в соответствии с характером и целью человеческой деятельности либо выполняемой работы. Удовлетворение информационной потребности выражается в оказании информационных и вычислительных услуг. Необходимость в удовлетворении информационной потребности способствует становлению и развитию информационного бизнеса.

Информационные услуги –  действия субъектов (владельцев и собственников) по обеспечению информационными продуктами. Поиск информации, услуги по использованию компьютерными сетями, услуги по доступу к Интернету - примеры информационных услуг.

Информационная продукция  – документированная информация, подготовленная в соответствии с потребностями пользователей и предназначенная или применяемая для удовлетворения потребностей пользователей.

Информационное пространство – пространство представленное совокупностью информационных ресурсов, потоков и процессов с объективно существующими закономерностями их взаимосвязей и нужное для потребления информации.

Информационные ресурсы – информация и носители с зафиксированной на них содержательной и реквизитной информацией в информационных системах и информационных сетях. Документы архивов и библиотек – примеры традиционных информационных ресурсов. База знаний компьютерной экспертной системы – компьютерный информационный ресурс предметной области.

Информационный поток – циркуляция (движение) информации в пространстве.

Информационный процесс – последовательность смысловых действий над информацией.

Автоматизированная система – «система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию выполнения установленных функций.»[2].

Информационная система – система, состоящая из информационных ресурсов, процессов, технических и программных средств, устройств и персонала, обладающая возможностью удовлетворить установленным информационным потребностям или целям.

Автоматизированная информационная система – интерактивная (диалоговая) информационная система, обладающая возможностью решения функциональных задач на базе информационных ресурсов одного аспекта деятельности.

Информационная технология -  система методов, приемов, стандартизированных спецификаций и средств, обеспечивающая организацию информационных процессов.

 

Базовые системы счисления вычислительной техники. Представление информации в ВМ.            Система счисления – совокупность правил представления чисел посредством набора символов и операций над ними. Символы, используемые для представления чисел, называются цифрами. Количество уникальных символов в наборе определяет основание системы счисления. Системы счисления делятся на непозиционные и позиционные.

 

I

V

X

L

C

D

M

1

5

10

50

100

500

1000

 Непозиционные системы счисления

            В таких системах количественный эквивалент цифры не зависит от места ее расположения в записи числа. Известны различные непозиционные системы счисления, например, такие в которых используют принцип сложения (аддитивные –Римская система), либо умножения (мультипликативные – индийская).

 В римской системе счисления в качестве «цифр» использовались следующие буквы:

                   32=XXXII=(X+X+X)+(I+I);   444=CDXLIV =(D-C)+(L-X)+(V-I);  555=DLV;  2007=MMVII.

            В древнем Китае и Индии использовалась мультипликативные системы: например, если десятки обозначаются буквой Х, а сотни У. Тогда  число 444 можно схематично представить так:        4Х   4У  4.

            Непозиционные системы счисления в настоящее время почти не используются при разработке вычислительных средств

 

Позиционные системы счисления

            В позиционных системах счисления количественный эквивалент цифры зависит от ее местоположения (разряда) в числе. Например, в десятичном числе 444 цифра 4 встречается трижды, однако ее количественный эквивалент различен: правая цифра обозначает число единиц, средняя – число десятков, левая – число сотен.

Современная десятичная система счисления возникла приблизительно в V веке н.э. в Индии. Возникновение этой системы стало возможным после величайшего открытия – цифры «0» для обозначения отсутствующей величины.

            Произвольное число Ар  в позиционной системе с основанием  р можно представить в виде суммы, отражающей различие весов цифр:

                       

Ар = ± (a n p n + а n-1 p n-1 + …+ а j p j +…+ а o p o + а -1 p -1 + …+a –m p –m),    (1)

где

+, -  - знаки положительного и отрицательного числа соответственно;

а j –  j – ая цифра (разрядный коэффициент) системы счисления.

Вес цифры а j  представляет собой определенную целую степень основания p j, значение которой диктуется позицией (разрядом) соответствующей цифры (j = 0, … ,  р – 1). Основанием системы определяется набор цифр, используемых для записи числа (например, набор символов десятичной системы счисления задается цифрами 0, 1, … , 9); последовательность чисел, задающих значение цифры по ее разряду :  p n , p n-1, ..., p j,…, p 0 , p -1 ,…. pm  составляют его базис;

 n, m -  число целых и дробных разрядов соответственно.

            Формально число Ар во всех системах счисления изображается только совокупностью разрядных коэффициентов;

                                                  Ар = ± a n a n-1… a о a -1a – m .                                              (2)

 

Пример: запись десятичного числа 35,210:     = 3 101 + 5 100 +2* 10 -1.

Принимая за основание любое число, можно создать и использовать бесчисленное множество позиционных систем счисления. Анализ записи одного значения в различных системах счисления, то оказывается, что чем больше ее основание, тем компактнее она представляет числовое значение. Количество разрядов,  требуемых для записи числа в той или иной системе счисления, рассчитывается по формуле:

    

 

Пример: для записи числа Аmax =999  в десятичной системе счисления  требуется m =3 разряда, а в двоичной – 10.

                При организации аппаратного хранения чисел используются переключающие элементы, имеющие определенное число устойчивых состояний, - многоустойчивые элементы. Для хранения одного разрядного коэффициента десятичного числа требуется элемент, обладающий 10 устойчивыми состояниями, и в то же время для одного двоичного разряда – с двумя состояниями. На современном этапе развития техники наиболее просты в физической реализации переключающие элементы с двумя устойчивыми состояниями («включено \ выключено»), то есть бистабильные элементы.   

            Для цифровой вычислительной техники наиболее приемлемыми системами счисления являются двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная.

 

Двоичная система счисления.  Основание системы  р = 2.  Для представления цифр разрядов используются два символа 0 и 1.  Двоичная цифра является единичной элементарной информацией, которая называется битом. Для обозначения совокупности двоичных разрядов, которыми измеряется объем электронной цифровой информации, введены термины. Так, восьмиразрядное двоичное число 8 бит именуется байтом, а два байта 16 – параграфом. Наиболее используемыми единицами, производными от байта, являются  килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт, петабайт.

В современных компьютерах двоичная информация хранится в ячейках памяти. Ячейка памяти – совокупность одновременно доступных запоминающих элементов – наименьшая адресуемая единица памяти. Минимальный размер ячейки принят равным байту. Каждая ячейка представлена восьмью бистабильными элементами. Линейная последовательность таких ячеек образует память цифрового устройства.

 

1024 (210) байт

Килобайт, Кбайт

1 048 576 (220) байт

Мегабайт, Мбайт

1 073 741 824 (230) байт

Гигабайт, Гбайт

1 099 511 627 776 (240) байт

Терабайт, Тбайт

1 125 899 906 842 620 (250) байт

Петабайт, Пбайт

1 152 921 504 606 850 000 (260) байт

Экзабайт, Эбайт

 

Перевод чисел двоичной и десятичной систем счисления.  Перевод целой части числа из десятичной системы в двоичную осуществляют обычно путем последовательного деления десятичного числа на два и фиксации остатков деления каждого шага, из которых образуется искомое двоичное  число.   Перевод дробной части числа в систему счисления с заданным основанием осуществляется рядом последовательных операций умножения на это основание. Полученные в результате умножения целые части произведения становятся соответствующими разрядами дробного числа и на следующем шаге умножения не используются. Пример:

Пример перевода десятичного числа 156  в двоичную систему счисления:

 
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Каждый остаток является цифрой  двоичной записи числа. Причем, первая полученная как остаток цифра, соответствует самому младшему разряду, а последняя – самому старшему разряду двоичного числа, то есть, полученные в остатке цифры, записываются в обратном порядке:

 

15610= 100111002

 

Перевод целых чисел из двоичной системы счисления в десятичную. Для выполнения перевода, следует пронумеровать цифры в двоичной записи числа от младшего разряда к старшему, т.е. справа налево.  Эти номера задают вес каждого разряда и соответствуют степеням основания системы счисления:

                                              

Затем, следует записать двоичное число  в развернутом виде (1), выполнить сложение и полученный результат, будет соответствовать значению числа в десятичной системе счисления:

 

100111002 = 1·27 + 0·26 + 0·25 +1· 24 +1·23 +1· 22 +0·21 + 0·20 =128+16+8+4=15610 .

 

Перевод конечной десятичной дроби в двоичную. Причем, ненулевая целая часть  переводится отдельно, как обычное целое число. Перевод дробной части числа в двоичную систему счисления осуществляется рядом последовательных операций умножения на ее основание, т.е.  на 2. Полученные в результате умножения целые части произведения становятся соответствующими разрядами дробного числа и на следующем шаге умножения не используются. Умножение выполняется до тех пор, пока дробная часть произведения не станет равной нулю или не выделится период (повторяющаяся последовательность цифр). Например, десятичное число  45,456 записывается в виде  45+0,456. Целая часть переводится в двоичную систему путем деления и примет вид:

                                                           4510 = 1011012 .

Дробную часть 0,456, следует перевести, выполняя последовательность операций умножения:

 
   

 

 

       0,456 · 2 = 0,912    0  - первая цифра дробной части

       0,912 · 2 = 1,824    1 

       0,824 · 2 = 1,648    1 

       0,648 · 2 = 1,296    1 

       0,296 · 2 = 0,592    0 

       0,592 · 2 = 1,184    1 

       0,184 · 2 = 0,368    0 

 

Продолжая, таким образом,  получают остальные цифры двоичного представления дробной части числа 0,011101001012. Сложив, полученные двоичные целую и дробную части, получают искомое число 101101,011101001012 . Чтобы записать в развернутом виде  полученное двоичное число, следует пронумеровать его разряды следующим образом:

                              

Таким образом, сумма степеней основания  2, пропуская разряды равные нулю, запишется следующим образом:

25+23+22+20+2-2+2-3+2-4+2-6+2-9+2-11 = 32+8+4+1+0,25+0,125+0,0625+0,015625+0,001953125+0,00048828125» 0,45610.

 

Двоично – десятичная система счисления.  В вычислительной технике использование данной системы обусловлено возможность применения элементов с двумя устойчивыми состояниями при сохранении преимуществ десятичной системы. В основном реализуется  в системах ввода-вывода числового материала. Она строится на сочетании принципов двоичной и десятичной систем. В ней расположение десятичных разрядов сохраняется, цифра каждого десятичного разряда представляется группой из четырех (тетрады) двухпозиционных символов(0,1). Например: десятичное число  в двоично – десятичной системе:

16910=001 0110 1001 состоит из трех тетрад.

 

 
   


Восьмеричная система счисления. Основание системы  р = 8. Алфавит системы счисления состоит из символов-    0, 1, 2,…, 7.  Перевод целого числа из десятичной системы в восьмеричную осуществляют как обычно путем последовательного деления десятичного числа на 8 и фиксации остатков деления каждого шага, из которых образуется искомое восьмеричное  число: 

                     

Полученные остатки записываются в обратном порядке, и получается: 15610=2348. Чтобы выполнить обратный перевод, следует пронумеровать разряды восьмеричного числа справа налево и умножить на степени основания 8, соответствующие номеру разряда:

 

 

2·82 +3·81+ 4·80 = 128+24 +4=15610

.

         Двоичная и восьмеричная системы счисления являются смешанными системами счисления, т.к. 23 =8. Поэтому, переводы из двоичной в восьмеричную систему и наоборот, можно выполнять по правилам перевода смешанных систем. Согласно этим правилам, двоичное число группируется по три цифры (степень основания 2) начиная с правой цифры, и каждая группа из трех цифр заменяется одной цифрой в системе с основанием 8. Ниже приводится таблица двоичных кодов для восьмеричных цифр.

 

цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

код

000

001

010

011

100

101

110

111

 

 Например: дано число 4510=1011012, которое группируется по три разряда: 101  101, затем каждая группа заменяется  одной восьмеричной цифрой, что соответствует числу - 558.  Для перевода из восьмеричной системы в десятичную, следует это число пронумеровать по разрядам, записать в развернутом виде и найти сумму:  558 = 5· 81+5· 80 =4510.

Для того чтобы перевести число из системы с основанием 8 в двоичную систему, необходимо каждую цифру в записи восьмеричного числа отдельно перевести в двоичный код. Например, дано число 3748 , следует каждую цифру по отдельности перевести в двоичный вид и затем записать их вместе:  011 111 1002.

Шестнадцатеричная система.  Основание системы р = 16. Разряды изображаются цифрами 0, 1, 2,…,9 и далее буквами А(10), В (11), С (12), D (13), E (14), F (15).  Перевод целого числа из десятичной системы в шестнадцатеричную, осуществляют, как и во всех предыдущих случаях,  путем последовательного деления десятичного числа на 16 и фиксации остатков деления каждого шага, из которых образуется искомое шестнадцатеричное  число: 

 
   


Записывая полученный результат в обратном порядке, получают шестнадцатеричное число, причем число  12 записывается через его обозначение С:  9С16.

Для выполнения обратного перевода, следует пронумеровать цифры справа налево, записать в развернутом виде (1) и найти сумму: 

                                                   9С16 = 9· 161+12·160 =15610.

 

Двоичная и шестнадцатеричная системы счисления, также являются смешанными системами счисления, т.к. 24 =16. Поэтому, и в этом случае переводы из двоичной в шестнадцатеричную систему и наоборот, выполняются по правилам перевода смешанных систем. Но, следует учесть, что теперь двоичное число группируется по четыре цифры, начиная с правой цифры, и каждая группа из четырех цифр заменяется одной цифрой в системе с основанием 16. Ниже приводится таблица двоичных кодов для шестнадцатеричных цифр.

 

цифра

0

1

2

3

4

5

6

7

код

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

 

цифра

8

9

A(10)

B(11)

C(12)

D(13)

E(14)

F(15)

код

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

1111

 

Например, дано число  16710 = 101001112. Для того, чтобы перевести в  систему счисления с основание 16, число группируется по четыре цифры, начиная с крайней правой цифры:

                                                                 1010  0111

и получается шестнадцатеричное число A716. Для перевода из шестнадцатеричной системы в десятичную, следует это число пронумеровать по разрядам, записать в развернутом виде и найти сумму:

                                             A716 = 10 ·161 +7 ·160= 16710 .

Для перевода шестнадцатеричного числа в двоичный код, необходимо каждую цифру в записи этого числа отдельно перевести в двоичный код. Например, дано число 24В16, цифра 2 -> 0010, 4 -> 0100, B-> 1011, в результате получится: 0010 0100 1011 (нули в старших разрядах можно опустить).

 

Представление чисел в вычислительных машинах

            Все числовые данные хранятся в компьютере в двоичном виде, однако формы хранения целых и действительных чисел различны.

            Целые числа хранятся в форме  с фиксированной запятой (точкой), действительные числа хранятся в форме с плавающей запятой (точкой). Термин «действительные числа» в компьютерной терминологии заменяется термином  «вещественные числа». Необходимость различного представления целых и действительных чисел вызвана тем, что скорость выполнения арифметических операций над числами с плавающей запятой существенно ниже скорости выполнения этих же операций над числами с фиксированной запятой.

            Форма с фиксированной запятой, называется еще естественной формой. В этом случае, все числа  изображаются в виде последовательности цифр с постоянным для всех чисел положением запятой, отделяющую целую часть от дробной. Эта форма наиболее проста, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому не применяется при вычислениях. Диапазон значащих чисел N в системе счисления с основанием P при наличии  m  разрядов в целой части и  s разрядов в дробной части числа, не  учитывая знак числа, будет таким:

  P-s £ N  Pm - P-s .  Например,  в двоичной системе при P=2, m=12  и s =4 числа изменяются в диапазоне  0,0625 £ N < 4096. И если в результате выполнения операций получится число, не входящее в этот диапазон, происходит переполнение разрядной сетки, приводящее к  ошибке.

Для компьютерного представления чисел с фиксированной запятой все разряды ячейки, кроме знакового разряда служат для изображения разрядов числа. При этом каждому разряду ячейки соответствует всегда один и тот же разряд числа, т.е. место запятой фиксировано перед определенным разрядом. Причем, для целых чисел запятая находится после младшего разряда, т.е. вне разрядной сетки. Ниже приведена схема представления целых чисел в форме с фиксированной запятой, занимающей 2 байта.

 

 
 

15     14    13     12    11     10     9       8      7       6      5       4      3       2     1       0

 

 

 

 

S

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

 

Знак числа

 

        

Для решения математических и физических задач используется представление в форме с плавающей запятой. Такой способ представления основан на нормализованной, т.е. экспоненциальной  записи действительных чисел.

В форме представления с плавающей запятойнормализованной записи) каждое число изображается в виде двух групп цифр. Первая группа цифр называется мантиссой, вторая группа порядком, причем абсолютная величина мантиссы должна быть меньше единицы, а порядок должен быть целым числом.  Общий вид формы с плавающей запятой имеет вид:   N = ± М ·P ± r, где М – мантисса числа, r – порядок числа, P – основание системы счисления.

 

 

 

Sr

Sn

0

0

0

0

0

1

1

1

0

1

0

0

0

1

1

0

0

0

0

0

0

1

0

1

0

1

0

0

0

1

 

 

 

 

Например, нормализованная запись числа 3, 1415926 имеет вид 0,31415926 · 101;

или    1000 = 0,1 · 104;   0, 000304=0,304 · 10-3, т.е. в первом разряде после запятой стоит первая значащая цифра. Нормализованный вид числа в машинной записи подразумевает наличие в старшем разряде мантиссы единицы, следовательно, у нормализованных двоичных чисел  0,5 £ |M| <1.

Существует большой класс задач, в которых не используются действительные числа. Текстовая, графическая и звуковая информация кодируются в компьютере с помощью целых чисел.

 

Представление текстовых данных.

Любой текст состоит из последовательности символов. Символами могут быть буквы, цифры, знаки (препинания, математических действий и т.д.). Пробел тоже символ, используемый для разделения слов и предложений между собой. Текстовая информация, как и любая другая информация, хранится в памяти компьютера в двоичном виде. Для этого каждому символу ставится в соответствие некоторое неотрицательное число называемое кодом символа,  и это число записывается в память компьютера в двоичном виде. Конкретное соответствие между символами и кодами называется системой кодировки.            Наиболее распространенным является код ASCII (American Standard Code for Information Interchange или  международный стандарт ISO -646), т.к. он морально устарел и не соответствует современным потребностям, в настоящее время не используется. Стандарт ASCII представляет собой 8 – битовую кодовую таблицу, согласно которой каждый символ имеет длину 8 бит, т.е. можно задать коды для 256 символов. Под номерами от 0 до 127 определены коды всех прописных и строчных латинских букв, цифры, знаки пунктуации и ряд кодов управления периферийными устройствами. В настоящее время существуют другие стандарты, заменившие ASCII и включающие его. К ним относятся такие стандарты как Unicode и ISO 10646.

            Unicode является двухбайтной кодовой таблицей. Это означает, что с его помощью можно задать коды от 0 до 216 = 65535 символов. Стандарт  Unicode (или UTС(Unicode technical Committee)-16) задает коды огромного числа букв и символов, используемых для написания текста, хранения в файлах и передачи по каналам связи. Он определяет коды практически всех символов большинства народов, имеющих собственную письменность, огромный набор всевозможных символов.(знаки транскрипций, математические и технические символы, шахматные фигуры и т.д.) и имеет много зарезервированных мест.

Наибольшее число кодовых комбинаций поддерживается стандартом ISO 10646. Согласно стандарту код символов является четырехбайтным, и следовательно, количество кодовых комбинаций равно 232 символов. Таблица Unicode является его подмножеством.

 

 Представление графической информации

Мониторы современных компьютеров могут работать в двух режимах: текстовом и графическом.

Классически, в текстовом режиме экран обычно разбивается на 25 строк по 80 символов в строке. В каждую позицию экрана (знакоместо) может быть помещен один символ, итого получается  25*80=2000 знакомест. В текстовом режиме на экран можно выводить тексты и простые рисунки, составленные из символов псевдографики. Этот символ может быть высвечен одним из 16 (4 бита)- или 256 (байт) цветов. При этом можно изменить цвет фона 8-16 цветов (3 бита -4 бита). 1 бит для представления мерцания). Следовательно, для описания каждого знакоместа нам требуется 2 байта: первый байт – символ, второй байт – его цветовые характеристики-(2000*2 байта=4000 байт=4Кб)

В графическом режиме экран разделяется на отдельные светящиеся точки (пиксели), количество которых определяет разрешающую способность монитора и зависит от его типа и режима. Любое графическое изображение хранится в памяти в виде информации о каждом пикселе на экране. Если пиксель не участвует в изображении картинки, то он не светится и если участвует, светится и имеет определенный цвет. Поэтому состояние каждого пикселя описывается последовательностью нулей и единиц (светится или нет, цвет). Такую форму представления графических изображений называют растровой.  В зависимости от того, сколькими цветами мы можем высветить каждый пиксель, рассчитывается размер информации, отводимый под каждый пиксель. Если монитор работает с 16 цветами, то цвет каждого пикселя описывается 4 битами(24=16), для работы с 256 цветами под каждый пиксель надо будет отвести  8 бит. При разрешении 640*480 пикселей и 256 цветов картина во весь экран займет 640*480 *1 байт= 307200 байт = 300 Кбайт

 

 Представление звуковой информации

            Существуют два способа звукозаписи на компьютере:

  • Цифровая запись, когда реальные звуковые волны преобразуются в цифровую информацию путем измерения звука тысячи раз в секунду;
  • МIDI- запись, которая, вообще говоря является не реальным звуком, а записью определенных команд указаний (какие клавиши нужно нажимать, например  на синтезаторе), МIDI запись является электронным эквивалентом записи игры на фортепиано.

Для реализации первого способа на компьютере должна быть звуковая карта(плата). Звук представляет собой вибрации, которые формируют волну с определенными амплитудой и периодом. Звуковая карта преобразует звук при входе в цифровую информацию путем измерения характеристик звука несколько тысяч раз в секунду. Аналоговый (непрерывный) сигнал измеряется в тысячах точек и записываются в двоичном виде в память компьютера (в файлы с расширением WAV) При воспроизведении специальное устройство на звуковой  карте преобразует цифры в аналог звуковой волны. Хранение звука в виде цифровой записи требует много места в памяти.

 МIDI- запись была разработана в начале 80-х годов –Musical instrument Digital Interface –интерфейс цифровых музыкальных инструментов МIDI-.информация представляет собой команды, а не звуковую волну. Команды –инструкции синтезатору, гораздо удобнее для хранения музыкальной информации.. Но, в этом случае необходимо наличие устройства, имитирующего клавишный синтезатор, которое воспринимает команды и при их получении генерирует звуки.

 

 

 

Лекция 3

История развития вычислительной техники. Основные принципы организации ЭВМ.

Цель: Приобретение теоретических знаний  по теме 2.1. «История развития ЭВМ. Поколения ЭВМ. Понятие об элементной базе. Персональные компьютеры (ПК),  история их развития».

 

            Компьютер (англ. computer, от лат. computo — считаю), машина для приема, переработки, хранения и выдачи информации в электронном виде, которая может воспринимать и выполнять сложные последовательности вычислительных операций по заданной инструкции — программе.

С начала 1990-х годов термин «компьютер» вытеснил термин «электронная вычислительная машина» (ЭВМ), которое, в свою очередь, в 1960-х годах заменило понятие «цифровая вычислительная машина » (ЦВМ). Все эти три термина в русском языке считаются равнозначными. Само слово «компьютер» является транскрипцией английского слова computer, что означает вычислитель. Английское понятие «computer» гораздо шире, чем понятие «компьютер» в русском языке. В английском языке компьютером называют любое устройство, способное производить математические расчеты, вплоть до логарифмической линейки, но чаще в это понятие объединяют все типы вычислительных машин, как аналоговые, так и цифровые.

         Хотя компьютеры создавались для численных расчетов, оказалось, что они могут обрабатывать и другие виды информации, так как практически все виды информации могут быть представлены в цифровой форме. Для обработки различной информации компьютеры снабжаются средствами для ее преобразования в цифровую форму и обратно. Поэтому с помощью компьютера можно производить не только численные расчеты, но и работать с текстами, рисунками, фотографиями, видео, звуком, управлять производством и транспортом, осуществлять различные виды связи. Компьютеры превратились в универсальные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком.

История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Попытки автоматизировать вычислительные процессы предпринимались на всех этапах человеческой цивилизации. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга.

Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство — абак. В XV в. Леонардо да Винчи разработал проект первой счетной машины для выполнения действий над 12- разрядными числами. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты.

В XVII в. –1623 г  Вильгельм Шиккард предложил счетную машинку-6-разрядных десятичных суммирующего и множительного устройств, а также механизма для записи промежуточных результатов.

1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство - восьмиразрядный суммирующий механизм, механически выполняющее сложение чисел, его назвали «Паскалево колесо». В том же веке, в 1673 году Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия.

В 1786г. Мюллер; в 1820 г. Томас (впервые предложено название арифмометр), в 1878  Чебышев и в 1890 г. В.Т.Однер, именно его  арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли, к примеру, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.

 В первой половине 19 в. - 1833 г. английский математик Чарльз Бэббидж предложил проект универсального вычислительного устройства - Аналитической машины, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой в виде отверстий, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь «склад» для запоминания данных и промежуточных результатов. Однако создание Аналитической машины оказалось слишком сложной задачей для техники того времени. Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены Чарлзом Бэббиджем. Он предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи.

      Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века. В 1888 американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах.

В 1890 изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.

     . Идеи Бэббиджа в использовал американец Г.Эйкен, им  в феврале 1944 на одном из предприятий IBM в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина «Марк-1». Это был монстр весом около 35 тонн. «Марк-1» был основан на использовании электромеханических реле и оперировал десятичными числами, закодированными на перфоленте. Машина могла манипулировать числами длиной до 23 разрядов. Для перемножения двух 23-разрядных чисел ей было необходимо четыре секунды.

 Она могла выполнять любую заданную последовательность из четырех арифметических действий (сложение, вычитание, умножение, деление), а также ссылаться на предыдущий результат без вмешательства человека. Машина имела 51 фут (15,3 метра) в длину и 8 футов в высоту (2,4 метра). Вес машины составлял около 35 тонн, длина проводов — свыше 500 миль (800 км), количество соединений — более 3 млн. Машина программировалась при помощи бумажной перфоленты и таким образом могла управляться человеком с минимальной подготовкой. «Марк-1» применялась Военно-морскими силами США для решения различных задач оборонного характера в области артиллерии, баллистики и др.

Еще раньше, идеи Бэббиджа были заново открыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину. В 1934, Конрадом Цузе будучи студентом технического вуза, приступил к созданию универсальной вычислительной машины, которая была бы программируемой и могла решать задачи любого уровня сложности. В 1938 Цузе в домашних условиях собрал электромеханическую машину Z1. Машина имела клавиатуру для ввода задач и панель с лампочками, на которой высвечивался результат. Затем - новую модель Z2. Когда началась война, Цузе получил поддержку германского правительства на разработку компьютера для военных целей — конструирования самолетов и ракет. В 1941, на два года опередив Эйкена, Цузе создал третью модель — Z3, основанную на электромеханических реле и работавшую в двоичной системе счисления. Z3 состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти. Числа можно было «записать» в память и «считывать» оттуда посредством электрических сигналов, которые проходили через реле. Реле либо пропускали сигнал, либо не пропускали. Машина считывала программу механически шаг за шагом (линейно) и проводила от 15 до 20 вычислительных операций в секунду.

Но электромеханические реле работали недостаточно быстро. На смену электромеханическим машинам в 1940-х годах пришли первые вычислительные машины.

В 1943 американцы начали разработку альтернативного варианта — вычислительной машины на основе электронных ламп. В 1946 была построена первая электронная вычислительная машина ENIAC. Ее вес составлял 30 тонн, она требовала для размещения 170 квадратных метров площади. Вместо тысяч электромеханических деталей ENIAC содержал 18 тысяч электронных ламп. Считала машина в десятичной системе и производила пять тысяч операций сложения или триста операций умножения в секунду.  Машина на электронных лампах работала существенно быстрее, но сами электронные лампы часто выходили из строя.

В 1946 г. были опубликована концепция построения вычислительных машин профессором Принстонского университета Дж. Фон Нейманом, известные как основные принципы организации ЭВМ.

Основные принципы организации ЭВМ Дж. Фон Неймана:

  1. Принцип двоичного кодирования. Электронные машины должны работать не в десятичной, а в двоичной системе счисления.
  2. Принцип программного управления. Машина выполняет вычисления по программе. Программа состоит из набора команд, которые исполняются автоматически друг за другом в определенной последовательности.
  3. Принцип хранимой программы. В процессе решения задачи программа ее исполнения должна размещаться в запоминающем устройстве машины, обладающем высокой скоростью выборки и записи.
  4. Принцип однотипности представления чисел и команд. Программа, также как и числа, с которыми оперирует машина, записывается в двоичном коде. Таким образом, по форме представления команды и числа однотипны, а это дает возможность  машине исполнять операции над командами программы.
  5. Принцип иерархичности памяти. Трудности реализации единого емкого быстродействующего запоминающего устройства требует иерархического построения памяти. Должно быть, по меньшей мере, два уровня иерархии: основная память и внешняя память.
  6. Принцип адресности основной памяти. Основная память должна состоять из пронумерованных ячеек, каждая из которых доступна программе в любой момент времени по ее двоичному адресу или по присвоенному ей имени (имя ячейке присваивается в программе, и соответствующий этому имени адрес должен храниться в основной памяти на протяжении всего времени выполнения программы).
  7. Структура ЭВМ  должна состоять из следующих устройств:
    1. УУ - устройства управления;
    2. АЛУ – арифметико-логического устройства;
    3. основной и внешней памяти;
    4. устройств ввода- вывода.

 

Начиная с появления первых электронных вычислительных машин, каждые 5-10 лет обновлялись конструктивно-технологические и программно-алгоритмические принципы построения и использования ЭВМ, что привело к  их классификации по поколениям.

Первое поколение. Компьютеры на электронных лампах (1943-1955)

Быстродействие: несколько десятков тысяч операций в секунду, т.е. тактовая частота в пределах десятков- до сотен КГц..

Особенности:

Поскольку лампы имеют существенные размеры и их тысячи, то машины имели огромные размеры.

Поскольку ламп много и они имеют свойство перегорать, то часто компьютер простаивал из-за поиска и замены вышедшей из строя лампы.

Лампы выделяли большое количество тепла, следовательно, вычислительные машины требовали специальные мощные охладительные системы. Надежность машин была крайне низкой – несколько десятков часов наработки на отказ, требовались ежесуточные профилактические работы, обслуживали 10-20 программистов. Управление машиной осуществлялось с помощью громадного пульта, имевшего большое количество тумблеров и световых индикаторов, отображавших информацию в двоичном виде.

На роль первых машин претендуют:

  • Collosus– секретная разработка британского правительства под руководством Макса Ньюмена (в разработке принимал участие Алан Тьюринг, профессор Кембриджского университета). Это первый в мире электронный компьютер, хотя и не оказавший влияние на развитие компьютерной техники (из-за своей секретности), но помог победить во второй мировой войне.
  • ENIAC. Создатели: Джон Моушли и  Дж. Преспер Экерт. Вес машины 30 тонн. Минусы: использование десятичной системы счисления; множество переключателей и кабелей.
  • В 1951 к созданию компьютера UNIVAC, предназначенного для коммерческого использования. UNIVAC стал первым серийно выпускавшимся компьютером с хранимой программой, а его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.
  • Эдсак -  первая машина с программой в памяти,  Сеак, Эдвак. Whirlwind I - слова малой длины, работа в реальном времени.
  • IBM 701 и последующие модели  фирмы IBM. Первый компьютер, лидирующий на рынке в течение 10 лет.

            В начале 50-х к американским присоединились и советские: по заказу атомной энергетики в 1951 г., в Киеве под руководством академика С.А.Лебедева была создана первая советская машина МЭСМ (малая электронная счетная машина); в 1952 г. машина БЭСМ (большая ЭСМ, далее БЭСМ-2, БЭСМ-4, БЭСМ-6). Известны также машины серии Минск (Минск 1, Минск 2, -22, -23, -32) идр.

Второе поколение компьютеров. Для  электронных ламп замены в 1947 американцы Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Брэдфорд Шокли предложили использовать изобретенные ими стабильные переключающие полупроводниковые элементы — транзисторы.

С активным внедрением транзисторов в 1950-х годах связано рождение второго поколения компьютеров. Компьютеры на транзисторах (1955-1965). Один транзистор был способен заменить 40 электронных ламп. В результате быстродействие машин возросло в 10 раз при существенном уменьшении веса и размеров. В компьютерах стали применять запоминающие устройства из магнитных сердечников, способные хранить большой объем информации. Быстродействие: сотни тысяч операций в секунду, т.е. тактовая частота достигла сотен КГц.

По сравнению с электронными лампами использование транзисторов позволило уменьшить размеры вычислительной техники, повысить надежность, увеличить скорость работы (до 1 млн. операций в секунду) и почти свести на нет теплоотдачу. Напряжения питания уменьшились до 10-15 В. Надежность машин возросла  до нескольких сотен часов наработки на отказ. Регулярные профилактические работы по прежнему требовались. В этот период развиваются способы хранения информации: в 1956 г. фирма IBM создала первый накопитель на жестких магнитных дисках RAMAC305-содержал 50 магнитных дисков диаметром около 1 м каждый и обладал суммарной емкостью 5 Мбайт, начинают использовать магнитную ленту. В 1964 г. появился первый монитор IBM-2250 для ЭВМ. Это был монохромный дисплей размером 12*12 дюймов и разрешением 1024*1024 пикселов, с частотой кадровой развертки 40 Гц. Появились первые операционные системы и алгоритмические языки программирования. Устройства машин и их программы стали больше ориентироваться на обработку массивов информации. Эвм 2-го поколения стали использоваться не только для решения научно-технических задач, но и для автоматизации процессов технологического управления. И была замечена первая компьютерная игра.

       Первой ЭВМ, в которой частично были использованы полупроводниковые приборы вместо электронных ламп, была  машина SEAC (Standarts Eastern Automatic Computer), созданная в 1951 г. Среди превых полностью полупроводниковых машин были: малые машины TRADIC(1956г.), TX-0 (1957 г.), I BM1401(1959); большие машины -  I BM 7070 (1957г.),  IBM 7090 (1959 г), UNIVAC3 (1959 г.) и др. Стоимость больших машин составляла от $500 000 до $2 300 000, малых машин – до $300 000. Заслуживает внимания и первая супермалая полупроводниковая машина I BM1620(1961г.), размещавшаяся на конторском столе(без накопителей на магнитной ленте), стоимостью $75 000.  

            Компьютер 6600 фирмы CDC, который разработал Сеймур Крей, имел преимущество над другими компьютерами того времени – это его быстродействие, которое достигалось за счет параллельного выполнения команд.

В начале 60-х в СССР также стали производиться полупроводниковые машины: Минск 22, Минск-32, БЭСМ -4, БЭСМ-6, Урал-14, Урал-14.        

Третье поколение компьютеров. В 1958 г. Р.Нойс изобрел  интегральную. микросхему (чип), в которых все электронные компоненты вместе с проводниками помещались внутри кремниевой пластинки, на небольшой площади можно было разместить десятки транзисторов. Эти схемы стали позже называть схемами с малой степенью интеграции (Small Scale ntegrated circuits-SSI) Применение чипов в компьютерах позволяет сократить пути прохождения тока при переключениях, и скорость вычислений повышается в десятки раз. Существенно уменьшаются и габариты машин. Появление чипа знаменовало собой рождение третьего поколения компьютеров. Компьютеры на интегральных схемах (1965-1980).  Быстродействие машин достигло миллионов операций в секунду, тактовые частоты работы электронных схем повысились до единиц мегагерц, снизились напряжения питания и потребляемая машиной мощность, существенно повысились надежность и быстродействие ЭВМ. Широко стали использоваться в качестве внешней памяти дисковые накопители. Появились еще два уровня запоминающих устройств: сверхоперативные запоминающие устройства на тригерных регистрах, имеющие большое быстродействие, но небольшую емкость (десятки чисел) и быстродействующая кэш-память. Операционные системы стали поддерживать технологию использования виртуальной памяти. Ввиду существенного усложнения аппаратной и логической структуры ЭВМ 3-го поколения стали называть системами.

Интегральная схема представляет собой электронную схему, вытравленную на кремниевом кристалле. На такой схеме умещаются тысячи транзисторов. Следовательно, компьютеры этого поколения были вынуждены стать еще мельче, быстрее и дешевле. Последнее свойство позволяло компьютерам проникать в различные сферы деятельности человека. Из-за этого они становились более специализированными (т.е. имелись различные вычислительные машины под различные задачи). Появилась проблема совместимости выпускаемых моделей (программного обеспечения под них). Впервые большое внимание совместимости уделила компания IBM. Было реализовано мультипрограммирование (это когда в памяти находится несколько выполняемых программ, что дает эффект экономии ресурсов процессора).

Первыми ЭВМ этого поколения стали модели систем  IBM и DEC. Компьютеры ветки PDP фирмы DEC (создана в 1967 г., полн. назв.-Digital Equipment Corporation), которые можно считать родоначальниками компьютерной промышленности, т.к. появилось явление массовой продажи машин. DEC выпустил первый миникомпьютер (размером со шкаф).

К началу 1960-х годов компьютеры нашли широкое применение для обработки большого количества статистических данных, производства научных расчетов, решения оборонных задач, создания автоматизированных систем управления. Высокая цена, сложность и дороговизна обслуживания больших вычислительных машин ограничивали их использование во многих сферах. Однако процесс миниатюризации компьютера позволил в 1965 американской фирме Digital Equipment выпустить миникомпьютер PDP-8 ценой в 20 тысяч долларов, что сделало компьютер доступным для средних и мелких коммерческих компаний. Дальнейшее развитие миникомпьютеров (PDP-11).

СССР в содружестве с другими социалистическими странами Восточной Европы(Польша, Венгрия, ГДР и др.) стали выпускать модели Единой системы ЕС-1020, -1030, -1040,  1050, -1066 (ОЗУ -16 Мб) и Системы Малых (СМ) ЭВМ-СМ-2, СМ-3, СМ-4 и т.д.

В 1972 г. была создана ЭВМ нового тогда класса - класса суперкомпьютеров. Первый суперкомпьютер ILLIAC4 имел производительность 20Mflops (миллионов сложений чисел с плавающей запятой). С 1975 г. фирма Cray Research начала выпускать суперкомпьютеры Cray (Cray1 имел оперативную память -8Мбайт и производительность 160 Мflops).

В вычислительных машинах 3-го поколения уделялось много внимания уменьшению трудоемкости программирования, эффективности использования программ и упрощению общения оператора с машиной. Это обеспечивается мощными операционными системами, мультипрограммными режимами работы и интерактивными режимами общения. Появился видеомонитор –устройство общения оператора с машиной. Большое внимание уделяется повышению надежности и достоверности функционирования ЭВМ и облегчению их технического обслуживания. Развиваются системы телеобработки информации на базе эВМ, позволяющие пользователям через удаленные терминалы выполнять обработку своей информации в вычислительных центрах коллективного пользования, передавая и получая информацию по каналам связи. На основе машин 3-го поколения организуются и многочисленные  информационно-вычислительные сети различного типа и назначения. Модульная организация машин и модульное построение их ОС создали широкие возможности для изменения конфигурации вычислительных систем. В связи с эти возникло понятие «архитектура вычислительной системы», определяющие логическую организацию этой системы с точки зрения пользователя и программиста.

Четвертое поколение. В 1969 сотрудник компании Intel Эдвард Хофф создал первый микропроцессор, разместив несколько интегральных микросхем на одном кремниевом кристалле. Таким образом, появились большие (БИС) и сверхбольшие (СБИС) интегральные схемы.  Это революционное событие кардинально перевернуло представление о компьютерах как о громоздких, тяжеловесных монстрах. С микропроцессором появляются микрокомпьютеры — компьютеры четвертого поколения, способные разместиться на письменном столе пользователя.

          Компьютеры на больших (и сверхбольших) интегральных схемах (1980-1990). Быстродействие: сотни миллионов операций в секунду. Появилась возможность размещать на одном кристалле не одну интегральную схему, а тысячи. Быстродействие компьютеров увеличилось значительно. Компьютеры продолжали дешеветь и теперь их покупали даже отдельные личности, что ознаменовало так называемую эру персональных компьютеров. Но отдельная личность чаще всего не была профессиональным программистом. Следовательно, потребовалось развитие программного обеспечения, чтобы личность могла использовать компьютер в своих целях.

В середине 1970-х годов начинают предприниматься попытки создания персонального компьютера — вычислительной машины, предназначенной для частного пользователя.

Первым персональным компьютером (микрокомпьютером) можно считать набор Altair фирмы MITS[3] (1975 г.), фотография которого появилась на обложке январского номера журнала Popular Electronics.  Набор состоял из процессора 8080, блока питания, лицевой панели с множеством индикаторов и запоминающего устройства емкостью 256 байт. Стоимость набора составляла 395 долларов, и каждый покупатель должен был сам собрать компьютер. Altair выпускался без программного обеспечения, т.е. владелец должен был сам создать соответствующую программу. Программы в двоичном виде вводились с помощью переключателей на передней панели. Этот компьютер был построен по схеме с открытой шиной (разъемами), что позволяла другим фирмам разрабатывать дополнительные платы и периферийные устройства. Для этой машины создали свой первый интерпретатор- программу, которая могла переводить программы с языка Basic на машинный код  Альтаира, создали Билл Гейтс и Пол Ален, которые впоследствии основали фирму Microsoft.

Фирма IBM в 1975 г. создало устройство, которое создатели считали интеллектуальным программируемым терминалом, а не подлинным компьютером, но в сущности это был настоящий компьютер. Это устройство имела память емкостью 16 Кбайт, встроенный дисплей на 16 строк по 64 символа, интерпретатор языка Basic и кассетный накопитель. Однако слишком высокая стоимость устройства стала препятствием его распространению среди пользователей.  

Первый вполне законченный микрокомпьютер или персональный компьютер Apple 1, создали в апреле 1976 года Стив Джобс (1955 г.р.) и Стефан Возняк (1950 г.р., сотрудник Hewlett Paccard), зарегистрировавшие в 1977 г. фирму Apple Comp.  Созданная машина включала в себя клавиатуру, похожую на клавиатуру печатной машинки и системный блок, реализованный на одной плате. Все это легко размещалось в дипломате. Первоначально информация отображалась на подключаемом к компьютеру бытовом телевизоре. Позже к компьютеру был подключен графический дисплей, сначала монохромный, а затем и цветной. Компьютер Apple 1 имел большой успех. В 1977 г. появился компьютер Apple II, который стал прообразом большинства последующих моделей, включая и IBM PC. Apple II имел операционную систему CP/M (Control Program for Microcomputers – управляющая программа для микрокомпьютеров). 

В 1981 г. 12 августа фирма IBM (отделение Entry Systems Division) создала новый компьютер IBM РС (IBM5150) на процессоре Intel, в котором использовался процессор 8088, имеющий адресное пространство 1 Мбайт, 16 – разрядную внутреннюю шину данных, с 8 – разрядной внешней шиной данных, тактовую частоту 4, 77 МГц. Компьютер имел два односторонних накопителя на гибких дисках емкостью 160 Кбайт и операционную систему DOS 1.0. В IBM РС были максимально внедрены возможности практически всех популярных тогда систем, а также их разработки и компоненты. Параметры компьютера определялись потребителями, и новый компьютер идеально заполнил отведенную ему нишу. Языки программирования и операционную систему  для IBM РС разработала фирма Microsoft.

Несмотря на наиболее удачные образцы микрокомпьютеров американской фирмы Эпл (Apple), широкое распространение персональные компьютеры получили с созданием фирмой IBM  первой модели микрокомпьютера IBM PC.

 Применение принципа открытой архитектуры, стандартизация основных компьютерных устройств и способов их соединения привели к массовому производству клонов IBM PC, широкому распространению микрокомпьютеров.

В Советском Союзе тоже выпускали микропроцессоры К580, К588, К1801 и др., персональные компьютеры ЕС: 1840, 1841, 1850 и т.п., Искра-1030 и др.

Наибольшее распространение  в нашей стране получили компьютеры типа IBM PC. Основными причинами являются: доступная цена; доступность комплектующих; возможность модернизации отдельных компонентов; и тот факт, что для IBM РС разработано большое количество прикладных программ. Кроме того до начала 90-х г. США запрещали поставки в СССР передовых информационных технологий, к которым были отнесены и мощные компьютеры «Макинтош».

Эволюция IBM РС:

1981- IBM РС первой модели с процессором i8088 - тактовой частотой 4,75 МГц; емкость ОЗУ и ПЗУ по 64 Кбайт, емкость дискеты 5,25” флоппи-дисковода 160 Кбайт.

1982г.- удвоена емкость дискет, выпущена  MS DOS 1.1.

1983 г. - выпущен IBM РС ХТ, ОЗУ 640 Кб, винчестер 10Мб ОС DOS 2.0

1984 г. - выпущен IBM РС АТ, с процессором i80286, , винчестер 20Мб ОС DOS 3.1, цветной  монитор.

1986 –выпущен первый laptop-портативный ПК.

1987- IBM РС АТ, с процессором i386, с дискетой 3,5”.

1989 г.- ПК с процессором i486

1994 г. – первый ПК с МП Pentium.

1997 г. выпуск серверов с ОС MS Windows NT.

в 2001 г. отмечали 20-летие создания IBM РС.

2005 г. первые многоядерные МП в ПК.

 

Основная концепция ЭВМ 5 –го поколения может быть сформулирована следующим образом: 1). Компьютеры на сверхсложных микропроцессорах с параллельно-векторной структурой, одновременно выполняющих десятки последовательных инструкций программы.   2). Компьютеры со многими сотнями параллельно работающих процессоров, позволяющих строить системы обработки данных и знаний, эффективные сетевые компьютерные системы.

     Последующие поколения ЭВМ по предположению, будут составлять электронные и оптоэлектронные компьютеры с массовым параллелизмом, нейронной структурой, с распределенной сетью большого числа (десятки тысяч) микропроцессоров моделирующих архитектуру нейронных биологических систем. Создаются и сверхсложные по физической концепции квантовые компьютеры.

За последние десятилетия 20 века ПК проделали значительный эволюционный путь, многократно увеличили свое быстродействие и объемы перерабатываемой информации, но окончательно вытеснить миникомпьютеры и большие вычислительные системы — мейнфреймы они не смогли. Более того, развитие больших вычислительных систем привело к созданию суперкомпьютера — суперпроизводительной и супердорогой машины, способной просчитывать модель ядерного взрыва или крупного землетрясения. В конце 20 века человечество вступило в стадию формирования глобальной информационной сети, которая способна объединить возможности различных компьютерных систем.

Темпы развития ЭВМ опровергли все самые смелые прогнозы. Например, президент и основатель одной из компьютерных фирм Digital Equipment Corporation Ken Olson в 1977 г. в одном из интервью сказал, что нет причин, по которым кому-нибудь захотелось бы иметь дома компьютер, а уже в то время на рынке появился самый массовый в настоящее время компьютер. Основатель фирмы Майкрософт Билл Гейтс в 1983 г. утверждал, что ни одной компьютерной программе никогда не потребуется более 640 Кбайт оперативной памяти, а сейчас его фирма выпускает программы, требующие сотни Мбайт и более.

 

 

 

Лекция 4

Типы компьютеров

Цель: Приобретение теоретических знаний  по теме 2.1. «Классификация ЭВМ. Понятия и основные виды архитектуры ПК. Определение понятия вычислительной системы (ВС) и ее архитектуры. Структурная схема вычислительной системы.Типы компьютеров. Принципы работы компьютера».

 

Известны следующие основные типы машин: аналоговые, гибридные и цифровые вычислительные машины.

Аналоговая вычислительная машина (АВМ), вычислительное устройство для воспроизведения (моделирования) определенных соотношений между непрерывно изменяющимися физическими величинами (машинными переменными) — аналогами соответствующих исходных переменных решаемой задачи. Наиболее распространены электронные АВМ, в которых машинными переменными служат электрические напряжения и токи, а искомые соотношения моделируются физическими процессами, протекающими в электрических цепях.

Гибридные вычислительные машины или ВМ комбинированного действия, работают с информацией представленной и в цифровой и в аналоговой форме. используются для управления сложными быстродействующими техническими комплексами.

Цифровые вычислительные машины или ВМ дискретного действия работают с информацией, представленной в цифровой форме.

Весь спектр современных вычислительных систем можно разделить на: миникомпьютеры и микрокомпьютеры, мейнфреймы, суперкомпьютеры. В настоящее время вычислительные системы различают прежде всего по функциональным возможностям.

Микрокомпьютер, настольный или портативный компьютер, который использует микропроцессор в качестве единственного центрального процессора, выполняющего все логические и арифметические операции. Помимо ноутбуков, к переносным микрокомпьютерам относят и карманные компьютеры — палмтопы. Основными признаками микрокомпьютеров являются шинная организация системы, высокая стандартизация аппаратных и программных средств, ориентация на широкий круг потребителей. Его цена и размеры были во много раз меньше, чем у наиболее распространенных в то время больших вычислительных машин, и предназначен он был для одновременной работы с одним пользователем, тогда как большие компьютеры, как правило, поддерживают одновременную работу многих пользователей.

 За двадцать лет развития персональные компьютеры превратились в мощные высокопроизводительные устройства по обработке самых различных видов информации, которые качественно расширили сферу применения вычислительных машин. Мощность микрокомпьютера позволяет его использовать в качестве сервера для организации работы многих персональных компьютеров в сети.

Персональные компьютеры выпускают в стационарном (настольном) и в портативном исполнении. Стационарные микрокомпьютеры в большинстве случаев состоят из отдельного системного блока, в котором размещаются внутренние устройства и узлы, а также из отдельных внешних устройств (монитор, клавиатура, манипулятор-мышь), без которых немыслимо использование современных компьютеров. При необходимости к системному блоку микрокомпьютера могут подсоединяться дополнительные внешние устройства (принтер, сканер, акустические системы, джойстик).

 

 
   

 

 

Портативные персональные компьютеры обычно известны в блокнотном (ноутбук) исполнении. В ноутбуке все внешние и внутренние устройства соединены в одном корпусе. Так же как и к стационарному микрокомпьютеру, к ноутбуку могут быть подсоединены дополнительные внешние устройства.

Различают также IBM PC-совместимые микрокомпьютеры  и IBM PC-несовместимые микрокомпьютеры. В конце 1990-х годов IBM PC-совместимые микрокомпьютеры составляли более девяноста процентов мирового компьютерного парка. IBM PC был создан американской фирмой Ай-Би-Эм (IBM) в августе 1981; при его создании был применен принцип открытой архитектуры, который означает применение в конструкции при сборке компьютера готовых блоков и устройств, а также стандартизацию способов соединения компьютерных устройств.

Принцип открытой архитектуры способствовал широкому распространению IBM PC-совместимых микрокомпьютеров-клонов. Их сборкой занялось множество фирм, которые в условиях свободной конкуренции снизили в несколько раз цены, энергично внедряли в производство новейшие технические достижения. Пользователи в свою очередь получили возможность самостоятельно модернизировать свои микрокомпьютеры и оснащать их дополнительными устройствами сотен различных производителей.

Единственный из IBM PC-несовместимых микрокомпьютеров, получивший относительно широкое распространение, — компьютер Макинтош (Macintosh). Начиная с 1980-х годов микрокомпьютеры Макинтош американской фирмы Эпл (Apple) составляли достойную конкуренцию IBM PC-совместимым микрокомпьютерам, так как, несмотря на свою дороговизну, они обеспечивали пользователю наглядный графический интерфейс, были значительно проще в эксплуатации и обладали большими возможностями. Начиная с 1990-х годов разница между возможностями Макинтошей и IBM PC все более нивелируется. Последние были оснащены операционными системами с графическим интерфейсом (Windows, OS/2), многочисленными рассчитанными на них прикладными программами. В настоящее время Макинтоши удерживают лидирующие позиции лишь на рынке настольных издательских систем.

Сетевые компьютеры. Во второй половине 1990-х годов в связи с бурным развитием глобальных компьютерных сетей появляется новый вид микрокомпьютера — сетевой компьютер, который предназначен только для работы в компьютерной сети. Сетевому компьютеру не нужны собственная дисковая память, дисководы. Операционную систему, программы и информацию он будет черпать в сети. Предполагается, что сетевые компьютеры будут значительно дешевле настольных персональных компьютеров и постепенно заменят их в фирмах, работающих со специализированными приложениями (телефонная связь, бронирование билетов), и в образовательных учреждениях.

Карманные компьютеры.Отдельным видом микрокомпьютера считаются карманные компьютеры (электронные органайзеры, или палмтопы), небольшие устройства весом до 500 граммов и умещающиеся на кисти одной руки. Большинство палмтопов не являлись IBM PC-совместимыми микрокомпьютерами. Лишь в конце 1990-х годов появились карманные компьютеры с операционными системами, позволяющими вести обмен информацией с другими типами компьютеров, подключать палмтопы к глобальным компьютерным сетям. В карманных компьютерах нет ни жесткого диска, ни дисководов. Некоторые из них имеют миниатюрную клавиатуру, но есть модели и без клавиатуры — управление их работой осуществляется нажатиями или рисованием специальным пером прямо по экрану. Наиболее распространены карманные компьютеры фирм Эпл (Apple), Хьюлетт-Паккард (Hewlett-Packard), Сони (Sony), Псион (Psion).

Рабочие станции. Как отдельный вид микрокомпьютера иногда выделяют рабочие станции. Они развились из младших моделей миникомпьютеров как переходный вид между микрокомпьютером и миникомпьютером. Внешне рабочие станции не отличались от стационарных микрокомпьютеров и с течением времени разница между ними нивелировалась. В 1980-е годы к рабочим станциям подсоединялись терминалы — отдельные рабочие места с клавиатурами и мониторами. Терминалы позволяли использовать рабочие станции нескольким пользователям.

Позднее на рабочих станциях стал работать один пользователь, и они стали отличаться от персональных микрокомпьютеров лишь большей мощностью. В настоящее время рабочими станциями называют офисные персональные микрокомпьютеры, используемые для интенсивных вычислений. Обычно это работа с профессиональными научными и инженерными прикладными программами, разработка программного обеспечения. Существуют специализированные графические рабочие станции для работы с трехмерной графикой.

Миникомпьютеры занимают промежуточное положение между большими вычислительными машинами и микрокомпьютерами. В большинстве случаев в миникомпьютерах используется архитектура RISC и UNIX и они играют роль серверов, к которым подключаются десятки и сотни терминалов или микрокомпьютеров. Миникомпьютеры используются в крупных фирмах, государственных и научных учреждениях, учебных заведениях, компьютерных центрах для решения задач, с которыми не способны справиться микрокомпьютеры, и для централизованного хранения и переработки больших объемов информации. Основными производителями миникомпьютеров являются фирмы Ай-Ти-энд-Ти (AT&T), Интел (Intel), Хьюлетт-Паккард (Hewlett-Packard), Digital Equipment.

Мобильные компьютеры позволяют поддерживать связь пользователяв рукописной речевой и видеоформе в любом месте и в любое время с любым человеком и фирмой.С их помощью можно не только получать информацию ,но и управлять ею, даже если она находится вдали от пользователя. К мобидьным относятся например компьютеры NASA- серийные компьютеры фирмы Grid Computer System.

На рынке средств вычислительной техники и связи появились гибридные устройства, постоянно подключенные к глобальной сети. К их числу относятся смартфоны (сотовый телефон с встроенным устройством отображения текстовой информации и клавиатурой) и коммуникаторы (гибрид сверхпортативного персонального компьютера и телефона).

Мейнфреймы — это универсальные, большие компьютеры общего назначения. Они занимали господствующие позиции на компьютерном рынке до 1980-х годов. Изначально мейнфреймы были предназначены для обработки огромных объемов информации. Наиболее крупный производитель мейнфреймов — фирма Ай-Би-Эм (IBM). Мейнфреймы отличаются исключительной надежностью, высоким быстродействием, очень большой пропускной способностью устройств ввода и вывода информации. К ним могут подсоединяться тысячи терминалов или микрокомпьютеров пользователей. Мейнфреймы используются крупнейшими корпорациями, правительственными учреждениями, банками. С расцветом микрокомпьютеров и миникомпьютерных систем значение мейнфреймов сократилось. Однако компания Ай-Би-Эм (IBM) перешла к производству компьютеров на новой концептуальной архитектуре ESA/390, которая позволяет использовать мейнфреймы в качестве центра неоднородного вычислительного комплекса.

Стоимость мейнфреймов относительно высока: один компьютер с пакетом прикладных программ оценивается минимум в миллион долларов. Несмотря на это, они активно используются в финансовой сфере и оборонном комплексе, где занимают от 20 до 30 процентов компьютерного парка, так как использование мейнфреймов для централизованного хранения и обработки достаточно большого объема информации обходится дешевле, чем обслуживание распределенных систем обработки данных, состоящих из сотен и тысяч персональных компьютеров.

Суперкомпьютеры необходимы для работы с приложениями, требующими производительности как минимум в сотни миллиардов операций с плавающей точкой в секунду. Столь громадные объемы вычислений нужны для решения задач в аэродинамике, метеорологии, физике высоких энергий, геофизике. Суперкомпьютеры нашли свое применение и в финансовой сфере при обработке больших объемов сделок на биржах. Их отличает высокая стоимость — от пятнадцати миллионов долларов, поэтому решение о покупке таких машин нередко принимается на государственном уровне, развита система торговли подержанными суперкомпьютерами. В 1997 г. суперкомпьютер Deep Blue (фирмы IBM) обыграл в шахматы Гарри Каспарова-чемпиона мира по шахматам.

 

Ведущие фирмы и их компьютеры

В настоящее время компьютерные системы производятся многими зарубежными фирмами, в том числе такими известными фирмами, как Aser, Apple, Compaq Computer (в 2002 г. приобретена фирмой Hewlett-Packard), DEC (в 1998 г. приобретена фирмой Compaq), DTC Computer, Hewlett-Packard, IBM, NEC, Next,, Silicon Graphics, Sun Microsystems.

 

Принципы работы компьютера

При создании первых вычислительных машин в 1945 математик Джон фон Нейман описал основы конструкции компьютера. Согласно принципам фон Неймана, компьютер должен иметь следующие устройства:

ÿ Арифметическо-логическое устройство — для непосредственного осуществления вычислений и логических операций.

ÿ Устройство управления — для организации процесса управления программ.

ÿ Запоминающее устройство (память) — для хранения программ и информации.

ÿ Внешние устройства — для ввода и вывода информации.

Подавляющее большинство компьютеров в своих основных чертах соответствует принципам фон Неймана, но схема устройства современных компьютеров несколько отличается от классической схемы. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в центральный процессор. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах.

Компьютерная информация хранится в электронном виде в различных запоминающих устройствах, которые называют компьютерной памятью. Для долговременного хранения информации используются постоянные носители компьютерной памяти, которые служат при вводе данных в компьютер и при выводе результатов его работы. Для хранения выполняемых в данный момент программ и промежуточных данных используется оперативная память компьютера, которая работает значительно быстрее постоянных носителей памяти.

В компьютерах используется двоичная система счисления, что позволило сделать устройство компьютера максимально простым. Впервые принцип двоичного счисления был сформулирован в 17 веке немецким математиком Готфридом Лейбницем.

Для обозначения двоичных цифр применяется термин бит — сокращение английского словосочетания «двоичная цифра» (binary digit — bit). Для передачи и хранения информации применяют восьмибитовые коды — байты (byte). В байтах измеряют количество информации. В одном байте достаточно информации для представления одной буквы алфавита или двух десятичных цифр.

 

 

 

Лекция 5

Два вида компьютерного обеспечения. Организация однопроцессорного компьютера.

Цель: Приобретение теоретических знаний  по теме 2.1. «Два вида компьютерного обеспечения. Состав и назначение основных элементов компьютера. Определение вычислительной системы (ВС) и ее архитектуры. Организация однопроцессорного компьютера: Системная плата. (МП). Арифметико-логическое устройство. Адаптеры и контроллеры. Магистраль и шины. Архитектуры МП. Характеристики микропроцессора.  Микропроцессоры фирмы Intel, AMD, DEC и др. Основные характеристики компьютера».

 

Работа компьютера обеспечивается, с одной стороны, аппаратными устройствами , что составляет аппаратное обеспечение, а с другой — программами (программное обеспечение).

 

Аппаратное обеспечение включает в себя внутренние компоненты (прежде всего интегральные микросхемы, в том числе процессоры, а также системные и интерфейсные платы) и внешние устройства (мониторы, принтеры, модемы, акустические системы).

Пользовательский компьютер обычно предполагает наличие системного блока, клавиатуры, монитора и одного либо нескольких периферийных устройств (принтера, манипулятора типа мышь, дигитайзера и т.д.) .

Системные блоки компьютера могут иметь корпус различной формы, например в виде плоской (mini tower case), узкопрофильной  коробки, либо башни (стойки - big tower case), а также встраиваться в монитор. Внутри корпуса размещаются системная (материнская- motherboard) плата, карты (электронные платы) расширения (например, адаптеры, контроллеры внешних устройств) и различные внутренние устройства (источник питания; вентиляторы; винчестеры; приводы лазерных дисков DVD +RW, DVD-RW и CD-ROM; флоппи- дисководы и т.п.).

  Материнские платы. Архитектура материнской платы постоянно совершенствуется при увеличении функциональной насыщенности и повышения производительности процессора. Модель стандартизированной системной платы, того или иного производителя определяется используемым на ней набором микросхем и топологией размещения элементов. В зависимости от формы стандартизированного корпуса выпускаются  различные по формату, форм-фактору (размеру, функциональным и эксплуатационным характеристикам) стандартизированные материнские платы компьютеров. Для ПК наиболее распространены материнские платы форматов AT, ATX, NLX и их разновидности. Базовые составляющие современной материнской платы компьютеров – разъем МП, магистрали со слотами, разъемы модулей оперативной памяти, разъемы для плат расширения и микросхемы чипсета, объединяющие их на аппаратном уровне.

Чипсет (англ. chipset) в материнской плате микрокомпьютера, набор микросхем, управляющих центральным микропроцессором, оперативной памятью и постоянным запоминающим устройством (ПЗУ), кэш-памятью, системными шинами и интерфейсами передачи данных, а также рядом периферийных устройств.Чипсет конструктивно привязан к типу используемого процессора, он обычно состоит из нескольких специализированных интегральных микросхем (ASIC — application-specific integration circuits). До появления чипсетов их функции выполняли наборы микросхем, состоявшие из множества контроллеров средней степени интеграции. Использование чипсет позволяет упростить конструкцию и уменьшить стоимость материнских плат. Основные производители чипсетов — фирмы Intel, Cyrix, AMD. Часто производители используют собственные имена для обозначения разновидностей чипсетов: Samurai, Triton, Alladin, Viper, Saturn.

 

На системной плате размещаются:

-        Микропроцессор (МП) –основной блок ПК, предназначенный для управления работой всех остальных устройств компьютера и выполнения  арифметических и логических операций над вводимыми данными. Именно МП выполняет машинные команды передаваемые ему из программы. В состав МП входят: 1).Устройство управления – формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные сигналы управления, в зависимости от того какие операции выполняются. 2).Арифметико-логическое устройство в комплекте с математическим сопроцессором – предназначен для выполнения всех арифметических и логических операций над числовыми и символьными данными. 3).Микропроцессорная память – служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы процессора. 4).Интерфейсная система МП реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК.

-        Генератор тактовых импульсов – генерирует последовательность электрических импульсов, которые используются МП и другими устройствами для работы. Контроллеры устройств интегрированных в материнскую плату- группа микросхем, которые совместно управляют всеми отдельными компонентами ПК.

-        Микросхемы Оперативного Запоминающего Устройства (ОЗУ) и Постоянного Запоминающего Устройства (ПЗУ) – предназначены для хранения  и оперативного обмена информацией с прочими блоками машины. ПЗУ служит для хранения неизменяемой программной и справочной информации, позволяет ее только считывать изменять содержимое ПЗУ нельзя.  ОЗУ предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации непосредственно участвующей в вычислительном процессе, выполняемом ПК в данный момент времени. главное достоинство ОЗУ ее высокое быстродействие Недостаток исчезновение всего содержимого ОЗУ после выключения питания компьютера (энергозависимость).

-        Шинный интерфейс – обеспечивает сопряжение и связь всех устройств компьютера между собой.

-        Адаптеры клавиатуры, дисководов – обеспечивают возможность подключения, управления и взаимодействия внешних устройств ввода-вывода для компьютера.

-        Дисковод жестких магнитных дисков – внешнее запоминающее устройство, предназначено для долговременного хранения информации на компьютере. Характеризуется по типу подключения к компьютеру, максимальной емкости, скорости передачи данных, времени доступа к данным.

-        CD(DVD)-ROM(R/W) – устройства чтения компакт дисков на компьютере. Характеризуется скоростью передачи данных и качеством чтения некачественных компакт дисков

 

Составляющие аппаратного уровня

Сведения об устройствах компьютера хранятся в энергонезависимой памяти CMOS RAM (Complementary Metal Oxide Semiconductor) Программы тестирования, диагностики компьютера в момент включения питания совместно с программным обеспечением низкоуровневого ввода вывода размещаются в другой энергонезависимой памяти, именуемой BIOS (Basic Input Output System). Эти микросхемы находятся на материнской плате и постоянно питаются от батареи вместе с интегральной схемой кварцевых часов.

Внутренние интерфейсы

Благодаря магистрали (шинам) возможны модульная организация компьютера и унифицированная связь МП с периферийными устройствами. Прямое подключение к магистрали различных электронных средств (адаптеров, контроллеров, плат расширения и др.) осуществляется через механические соединители, называемые слотами (от англ. Slot –щель).Любая стандартная магистраль содержит шину данных (группу электрических проводников, по каждому из которых передаются битовые последовательности данных), адресную шину (адрес определяет источник либо приемник данных, циркулирующих по шине данных при обменных операциях), линии аппаратных прерываний, каналы прямого доступа к DMA (Direct Memory Access), проводники для передачи служебной информации и разводки электропитания.

Внешние интерфейсы.

Для подключения периферийных устройств используются  последовательные и параллельные порты контроллеров ввода вывода, разъемы которых обычно находятся на задней панели компьютера. Порты могут поддерживать режимы передачи данных в одном направлении (симплексный режим) и в обоих направлениях (дуплексный режим).

Последовательный порт (COMmunication port) поддерживает побитовую передачу данных по паре проводов, присоединяемых обычно 9-штырковым разъемом стандарта RS232C. Последовательный порт используется для подключения, в частности, модема, мыши инфракрасного адаптера, и сканера штриховых кодов.

Параллельный порт. Он обеспечивает одновременную передачу нескольких битов данных(4 или 8). передача каждого бита осуществляется по своей линии. Стандартным параллельным портом считается LPT-порт. К такому порту подсоединяется, например, принтер.

В мощных компьютерах (рабочих графических станциях, серверах) подключение внешних устройств ввода-вывода обычно ведется через универсальный высокоскоростной интерфейс SCSI (small computer system interfase) (320 Мбайт/с). SCSI позволяет подключать к компьютеру до семи различных устройств (накопителей, сканеров,и т.д.)

USB

В настоящее время разработана спецификации универсальной последовательной шины USB(universal Serial Bus) для подключения к компьютеру до 127 периферийных устройств(например телекоммуникационных принтеров, сканеров,  переносимых накопителей информации, клавиатуры, джойстика, мыши, аудио-, видеосистем). Физически они объединяются в иерархическую структуру, в узлах которых размещаются кабельные концентраторы (Хабы) или функциональные устройства. USB устраняет конфликты между драйверами программного обеспечения, каналами прямого доступа, адресацией устройств ввода-вывода.

 

 

 

Лекция 6

Запоминающие устройства  ПК

 

Цель: Приобретение теоретических знаний  по теме 2.2. «Виды памяти: ОЗУ, ПЗУ.  Запоминающие устройства: классификация, принцип работы, основные характеристики. Организация данных на магнитных дисках, файлы. Внешние устройства. Назначение и характеристики основных устройств ПК. Периферийные устройства: устройства ввода-вывода данных, их разновидности и основные характеристики. Клавиатура, манипуляторы, сканеры, принтеры, мониторы.

».

Персональные компьютеры имеют три основных уровня памяти:

-        Микропроцессорная память (МПП);

-        Основная память(ОП);

-        Внешняя память.

К этим уровням добавляется промежуточная буферная или кэш-память. Кроме того, многие устройства ПК имеют собственную локальную память.

Для подсистемы хранимой памяти важными параметрами являются следующие:

-        Объем хранимой информации;

-        Время доступа;

-        Скорость обмена при передаче потока данных..

И другие, такие как: энергонезависимость; устойчивость к внешним воздействиям; время хранения; размер и вес; удельная стоимость хранения единицы данных (цена накопителя, отнесенная к единице хранения(байту или мегабайту) и т.п.

 

Основная память

Основная память содержит оперативное (RAM- Random Access Memory) и постоянное (ROM –Read Only Memory) запоминающие устройства (ОЗУ и ПЗУ).

 

Оперативная память: статическая и динамическая.

Оперативная память может формироваться из микросхем динамического (DRAM –Dynamic Random Access Memory) или статического (SRAM – Static Random Access Memory) типа.

Память статического типа обладает более высоким быстродействием, но значительно дороже DRAM. Кроме того, они отличаются низкой удельной емкостью(единицы мегабит на корпус) и высоким  энергопотреблением. Поэтому статическая память используется в основном в качестве микропроцессорной и буферной (кэш – память).

В динамической памяти ячейки построены на основе полупроводниковых областей с хранением зарядов, занимающих гораздо меньшую площадь, нежели схемы SRAM и практически не потребляющих энергии при хранении. Во избежание потери хранимой информации заряд постоянно нужно регенерировать, отсюда и название – динамическая. Ячейки динамической памяти по сравнению со статической  имеют большее время срабатывание (ниже быстродействие), но большую удельную плотность и  меньшее энергопотребление.

Динамическая память используется для построения оперативных запоминающих устройств основной памяти ПК.

 

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ)

ОЗУ предназначено для хранения информации (программ и данных), непосредственно участвующей в вычислительном процессе в текущий интервал времени.

ОЗУ – энергозависимая память: при отключении напряжения питания информация, хранящаяся в ней, теряется. Быстродействие ОЗУ в миллионы раз  больше быстродействия внешних запоминающих устройств (ВЗУ).

Конструктивно элементы оперативной памяти выполняются в виде отдельных модулей памяти – небольших плат с одной или несколькими микросхемами. Эти модули вставляются  в разъемы – слоты на системной плате. На СП может быть несколько групп разъемов – банков для установки модулей памяти;  в один банк можно ставить лишь блоки одинаковой емкости.

Модули памяти характеризуются конструктивом, емкостью, временем обращения и надежностью работы.

Существуют следующие виды модулей ОЗУ:

DIP – dual in line package – корпус с двухрядным расположением выводов, используются только в составе  SIMM;

SIMM – single in line memory module - печатные платы с односторонним краевым разъемом типа слот, встречаются только в устаревших ПК;

DIMM - dual in line memory module – более современные модули памяти, емкость этих модулей – 16, 32, 64, 128,  256, 512, 1024 Мбайт ;

RIMM – rambus in line memory module – требуют интенсивного охлаждения.

 

Типы ОЗУ:

SDRAM (Synchronous DRAM) – синхронная динамическая память

DDR SDRAM (Double Data Rate  SDRAM) – вариант памяти SDRAM, осуществляющий передачу информации по обоим фронтам тактового импульса, что увеличивает в 2 раза эффективную частоту по сравнению с тактовой частотой.

DRDRAM (Direct Rambus DRAM – динамическая память с прямой шиной для RAM) - характеризуется высоким быстродействием.

 

Кэш-память

Кэш-память имеет несколько уровней. Уровни L1, L2, L3 – это регистровая кэш-память, высокоскоростная память сравнительно большой емкости, являющаяся буфером между оперативной памятью и микропроцессором, позволяющая увеличить скорость выполнения операций. Кэш –память недоступна  для пользователя, отсюда и название «кэш» -тайник в переводе с английского. В кэш - памяти хранятся копии блоков  данных тех областей оперативной памяти, к которым выполнялись последние обращения  и весьма вероятны  обращения в ближайшие такты работы, быстрый доступ  к этим данным и позволяет сократить время выполнения очередных команд программы. Кэш – память первого уровня (L1) встроена в основное ядро МП, емкость этой памяти у МП серии Core по 32 Кб. У Pentium Pro и выше кроме кэш-памяти 1-го уровня  есть и встроенная на микропроцессорную плату кэш-память 2-го уровня (L2) емкостью от 128 Кб до 2048 Кбайт.

 Дополнительная кэш-память 2-го уровня (L2) или 3-го (L3) уровня размещается на СП вне МП,  емкость ее достигает нескольких мегабайт.

 Чем больше размер кэш-памяти, тем выше быстродействие,, но эта зависимость нелинейная.

В современных ПК применяется кэш-память и между внешними запоминающими устройствами на дисках и оперативной памятью  (емкостью 4-32 Мбайт) обычно относящаяся к 4 уровню, создается она либо в поле оперативной памяти, либо непосредственно в модуле самого внешнего запоминающего устройства.

 

Постоянные запоминающие устройства.

ПЗУ – память только для чтения, также строится на основе установленных, на материнской плате модулей и используется для хранения неизменяемой информации; загрузочных программ операционной системы, программ тестирования устройств компьютера, некоторых драйверов базовой системы ввода-вывода (BIOS) и т.п.

К ПЗУ принято относить энергонезависимые постоянные и «полупостоянные» запоминающие устройства, из которых оперативно можно только считывать информацию, запись в ПЗУ выполняется вне ПК в лабораторных условиях или при наличии специального программатора в компьютере.

Устанавливаемые на системной плате ПК модули ПЗУ имеют емкость, как правило, не превышающую 128 Кбайт. Быстродействие у постоянной памяти меньшее, чем у оперативной, поэтому для повышения производительности содержимое ПЗУ копируется в ОЗУ.

В настоящее время в ПК используются «полупостоянные», перепрограммируемые запоминающие устройства –  флэш–память, модули или карты  которых устанавливаются  прямо в разъемы СП.

 

Виртуальная память.

Виртуальная память используется при недостаточной емкости ОП. Для реализации виртуальной памяти частично используется внешняя память на жестком диске.

 

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ).

Внешние устройства можно классифицировать по целому ряду признаков: по виду носителя, типу конструкции, принципу записи и считывания информации, методу доступа и т.д.

В зависимости от типа носителя, все ВЗУ подразделяются:

-        на накопители на магнитной ленте,

-        дисковые накопители ,

-        устройства флэш-памяти.

 

Накопители на магнитной ленте

В ПК используются только стримеры – накопители на кассетной ленте, емкостью: 340Мб, 680, 1700 Мб, 4000Мб, 8 Гб, объявлено о создании стримеров до 80 Гб и 1 Тб (IBM).

 

Накопители на дисках более разнообразны:

-  Накопители на гибких магнитных дисках (НГМД) (флоппи-дисках);

-  Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) (винчестеры);

-  Накопители на сменных жестких магнитных дисках; накопители сверхвысокой плотности записи-VHD – накопители;

-  Накопители на оптических компакт-дисках (CD-ROM);

-  Накопители на оптических компакт-дисках с однократной записью(CD-R);

-  Накопители на оптических компакт-дисках с многократной записью(CD-RW);

-  Накопители на оптических цифровых универсальных дисках (DVD-digital versatile disk);

-  Накопители на оптических цифровых универсальных дисках c однократной записью (DVD-R);

-  Накопители на оптических цифровых универсальных дисках c многократной записью (DVD-RW, DVD RAM);

-  Накопители на DVD с высокой плотностью записи –HD-DVD;

-  Накопители на многоуровневых CD;

-  Накопители на Blu-ray Disks – BD;

-  Накопители на флуоресцентных многослойных дисках FMD.

 

В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальным свойством, позволяющим фиксировать два специальных направления намагниченности в которым ставится в соответствие двоичные цифры 0 и 1.

Данные сохраняются на предварительно размеченном магнитном диске. Разметка (форматирование) диска предполагает разбиение поверхности диска на концентрические дорожки, каждая из которых разделена на фрагменты, названные секторами.

 

Информация на магнитные диски (МД) записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей – дорожек (трек). Диски относятся к машинным носителям информации с прямым доступом.  Это означает, что ПК может «обратиться к дорожке, на которой начинается участок с искомой информацией.

Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

 

 

Основные характеристики:

-  Информационная емкость;

-  Время доступа;

-  Скорость считывания последовательно расположенных байтов.

 

      Размещение информации на дисках. Дорожки диска разбиты на секторы. В одном секторе обычно размещается 512 байт данных. Обмен данными между НМД и ОП осуществляется последовательно кластерами. Кластер – это минимальная единица размещения информации на дисках, состоящая из двух или большего числа смежных секторов дорожки. Число дорожек, секторов и размер кластера зависит от типа устройства хранения. Поэтому если необходимо разместить на диске маленький файл, например размером 20 байт, он все равно займет дисковое пространство размером в кластер (1024 байт).

 

Сравнительные характеристики дисковых накопителей

Тип накопителя                    

емкость, Мбайт

Время доступа, мс

НГМД

1,44

65-100

Жесткий диск

20 000-1 000 000

5-30

VHD

120-240

65

CD

750-1500

50-200

DVD

4700-24000

150-200

Многослойный CD

1 000 000

 

Blu-ray Disks

25000-50000

150-200

HD DVD

15000-50000

150-200

FMD

128-9100

150

Flash

64-128 000

4-10

 

 

Устройства флэш-памяти

Флэш - диски  – популярный и перспективный класс энергонезависимых запоминающих устройств., представляют собой устройства для долговременного хранения информации с возможностью многократной перезаписи.  Стирание и запись данных осуществляется по аналогии с магнитными дисками секторами (кластерами). Конструктивных вариантов исполнения флэш-памяти существуют много.

Для хранения информации в них используются микросхемы памяти с металлизацией, выполненные по технологии Flash, изобретенной в начале 80-х годов в фирме Intel. Дисками их называют условно, поскольку флэш-диски полностью эмулируют функциональные возможности магнитных дисков.

 

Понятие файла, каталога.

Информация хранится на диске в виде файлов. Файлом называется поименованная область памяти на физическом носителе. В соответствии с характером хранимой информации, файлу приписывают тип. Задание типа осуществляет либо сам пользователь, либо программа, в которой создан файл. Полное имя файла состоит из двух частей: имени и типа, разделенных знаком «точка».

Файл характеризуется размером, датой и временем его создания или изменения, а также имеет атрибуты (системный, архивный, только для чтения, скрытый).

Каталог(папка) – это специальное место на диске, в котором хранятся имена файлов, сведения о размере файлов, времени их последнего обновления, атрибуты файлов и т.д. На каждом диске имеется главный, или корневой каталог, в котором регистрируются файлы и каталоги первого уровня. В каталогах первого уровня регистрируются каталоги второго уровня и т.д. Таким образом организуется сложная иерархическая структура каталогов.

Указание пути к файлу – указание последовательности из имен каталогов, разделенных символом «\». Полное имя файла состоит из пути к каталогу, в котором находится файл, и имени файла, разделенных символом «\», пред которым может стоять обозначение дисковода.

 

 

 

 

Внешние (периферийные) устройства

Так называют устройства, подключаемые к компьютеру для расширения его возможностей для ввода и вывода информации.

Монитор – устройство отображения визуальной информации. Мониторы с электронно- лучевой трубкой характеризуется размером по диагонали трубки. разрешающей способности, величиной зерна, максимальной частотой обновления кадров, по типу подключения. Размер диагонали монитора задается в дюймах (14”, 15”, 17”, 19”, 21”). Изображение на мониторе формируется из мельчайших светящихся точек люминофоров по принципу мозаики. Отдельный   элемент называется пикселем (picture element). У цветного монитора имеются три электронные пушки с отдельными схемами управления, а на поверхность экрана нанесен люминофор трех основных цветов: красный (Red, R), зеленый (Green, G), синий (Blue, B). В цветном кинескопе имеется либо теневая маска (Shadow Mask), либо апертурная решетка (технология Trinitron). Они служат для того, чтобы лучи электронных пушек попадали только в точки люминофора соответствующего цвета. Если теневая маска содержит систему отверстий, то апертурная решетка образует систему вертикальных щелей. Четкость изображения на мониторе тем выше, чем меньше размеры точек люминофора на внутренней поверхности экрана. Обычно говорят не о размерах самих точек, а о расстоянии между ними (dot pitch). Этот параметр для различных моделей мониторов может лежать в диапазоне от 0,41 до 0,21 мм. Нормальным уровнем считается 0,26-0,28 мм для ЭЛТ с теневой маской и 0,25 мм для ЭЛТ с апертурной решеткой. Практически все современные мониторы мультичастотные, то есть обладают способностью настраиваться на произвольные значения частот синхросигналов из некоторого заданного диапазона. Разрешающая способность монитора определяется максимальным количеством точек, размещающимися по горизонтали и вертикали на экране. Частота обновления кадров монитора колеблется в пределах 70-100 Гц у современных мониторов, в зависимости от модели, установленного разрешения экрана и видеокарты. Видеокарта непосредственно управляет монитором и выводом информации на его экран. Видеокарта располагается внутри системного блока в специальном разъеме и обеспечивает связь компьютера с монитором. Жидко-кристаллические LCD –мониторы построены на пассивных и активных ЖК – матрицах.  Конкуренцию ЖК мониторам могут составить мониторы, основанные на технологии органических светоизлучающих материалов.

Клавиатура- устройство, с помощью которого осуществляется ввод данных, команд и управляющих воздействий в ПК. Различаются по количеству клавиш и наличию дополнительных устройств. Стандартная клавиатура имеет 101-104 клавиши. Есть эргономичные модели, чтобы руки при работе находились в комфортном положении. Есть модели с устройством ввода электронной подписи. Есть модели, ориентированные на пользовательский интерфейс конкретных операционных систем. Связь компьютера с клавиатурой осуществляется по каналу проводному, либо беспроводному(радио- лил ИК- каналу).

Принтеры –устройства для вывода информации на бумагу. Делятся по способу печати на три основных типа: матричные, струйные, лазерные.

Матричные принтеры оснащены печатающей головкой с вертикальным рядом (или двумя рядами) игл или тонких стерженьков. Головка движется вдоль печатаемой строки, и в нужный момент иголки ударяют по бумаге через красящую ленту, формируя последовательно символ за символом. Для таких принтеров возможно использование как форматной, так и рулонной бумаги. Головка принтера может быть оснащена 9, 18 или 24 иголками. Матричные принтеры дают невысокое качество печати, сильно шумят при работе и малопроизводительны. Более высокую производительность обеспечивают строчные и страничные матричные принтеры. Вместо маленьких точечно-матричных головок они используют длинные массивы с большим количеством игл, при этом достигается скорость печати порядка 1500 строк в минуту.

Струйные принтеры относятся к безударным печатающим устройствам. В струйных принтерах изображение формируется микрокаплями специальных чернил, выбрасываемых на бумагу через сопла печатающей головки. Количество сопел у разных моделей принтеров обычно варьируется от 12 до 256. Максимальная разрешающая способность массовых моделей струйных принтеров достигает 1440 точек на дюйм. В отличие от матричных принтеров, струйные работают с гораздо меньшим шумом и обеспечивают лучшее качество печати.

В лазерных принтерах изображение формируется с помощью лазерного луча, красящего порошка и специального светочувствительного барабана. Лазерные принтеры обеспечивают наилучшее, близкое к типографскому, качество печати монохромной и цветной печати, а также самую высокую среди принтеров скорость печати и не требуют специальной бумаги. На рынке лазерных принтеров выделяются печатающие устройства малого быстродействия (скорость вывода 4-6 страниц в минуту), принтеры среднего быстродействия (7-11 страниц в минуту) и принтеры коллективного использования, так называемые сетевые принтеры (более 12 страниц в минуту), которые имеют большой ресурс печати и могут подключаться непосредственно к сети. Для лазерных принтеров, работающих с бумагой формата А4, фактическим стандартом становится разрешение 600-1200 dpi (точек на дюйм). Принтеры, способные работать с бумагой формата А3, как правило, имеют разрешающую способность 1200 dpi и выше, а также невысокую скорость вывода — 3-4 страницы в минуту. К наиболее важным функциональным возможностям принтеров относятся такие, как поддержка технологии повышения разрешающей способности, наличие масштабируемых шрифтов (PostScript, TrueType), собственная оперативная память.

Сканер, устройство, служащее для ввода в компьютер графических изображений (текстов, рисунков, слайдов, фотографий, чертежей). В большинстве сканеров для преобразования изображения в цифровую форму применяются светочувствительные элементы на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС) (англ. Charge-Coupled Device, CCD).По способу перемещения считывающей головки и изображения относительно друг друга сканеры подразделяются на ручные (англ. Handheld), рулонные (англ. Sheet-Feed), планшетные (англ. Flatbed) и проекционные. Разновидностью проекционных сканеров являются слайдсканеры, предназначенные для сканирования фотопленок. В высококачественной полиграфии используются барабанные сканеры, в которых в качестве светочувствительного элемента используется фотоэлектронный умножитель ФЭУ). Принцип работы однопроходного планшетного сканера состоит в том, что вдоль сканируемого изображения, расположенного на прозрачном неподвижном стекле, движется сканирующая каретка с источником света. Отраженный свет через оптическую систему сканера (состоящую из объектива и зеркал или призмы) попадает на три расположенных параллельно друг другу фоточувствительных полупроводниковых элемента на основе ПЗС, каждый из которых принимает информацию о компонентах изображения.

Плоттер (графопостроитель), устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, чертежей, карт на обычной бумаге или кальке. Первыми появились и традиционно широко используются перьевые плоттеры. Более современную технологию применяют струйные плоттеры.Перьевые плоттеры можно разделить на три группы:

плоттеры, использующие фрикционный прижим для перемещения бумаги в направлении одной оси и движения пера по другой; барабанные (или рулонные плоттеры), использующие для перемещения непрерывной перфорированной ленты-бумаги специальный трактор (Tractor Feed);

планшетные плоттеры, в которых бумага неподвижна, а перо перемещается по обеим осям.

Различные модели плоттеров могут иметь как одно, так и несколько перьев различного цвета (обычно 4-8). Перья бывают трех различных типов: фитильные (заправляемые чернилами), шариковые (аналог шариковой ручки) и с трубчатым пишущим узлом (инкографы). Связь с компьютером плоттеры, как правило, осуществляют через последовательный, параллельный или SCSI-интерфейс. Некоторые модели графопостроителей оснащаются встроенным буфером (1 Мбайт и более). В 1990-х годах перьевые плоттеры начинают вытесняться струйными, которые работают в 4-5 раз быстрее. Используя два чернильных картриджа, струйный плоттер обеспечивает разрешение не менее 300 dpi и имеет два режима работы: чистовой и эскизный. В эскизном режиме работе почти вдвое сокращается расход чернил.

Дигитайзер (англ. Digitizer) (графический планшет), кодирующее устройство, позволяющее вводить в компьютер двумерное, в том числе и многоцветное, изображение в виде растрового образа. Дигитайзеры применяют в основном художники, работающие в области компьютерной графики. Кроме того, с помощью дигитайзеров вводят данные в системах трехмерного моделирования и автоматизированного проектирования (САПР, или CAD/CAM — Computer-Aided Design/Modeling).В состав графического планшета входит специальный указатель (перо) с датчиком. Собственный контроллер посылает импульсы по расположенной под поверхностью планшета сетке проводников. Получив два таких сигнала, контроллер преобразует их в координаты, передаваемые в компьютер. Планшеты, предназначенные для рисования, обладают чувствительностью к силе нажатия пера, преобразуя эти данные в толщину или оттенок линии.

Для подключения дигитайзера обычно используется последовательный порт компьютера. Дигитайзер обычно использует разрешение порядка 2400 dpi и характеризуется высокой чувствительностью к уровням нажатия пера (256 уровней).Аналогичным образом работают системы для рукописного ввода информации, только рукописные буквы преобразуются в числовой вид при помощи специальной программы распознавания. Устройства перьевого ввода информации используются в сверхминиатюрных компьютерах, в которых нет полноценной клавиатуры.

Модем [от англ. mo(dulator) и dem(odulator], устройство для обмена информацией между компьютерами, которое осуществляет преобразование дискретных сигналов в непрерывные модулированные сигналы для передачи по линии связи и обратное преобразование (с демодуляцией) при приеме. В локальных вычислительных сетях модем управляет распределением потока информации между сервером и терминалами. Модемы персональных компьютеров в большинстве случаев пересылают информацию с помощью телефонной связи. Режим работы модемов, когда передача данных осуществляется только в одном направлении, называется полудуплексом (half duplex), в обе cтороны — дуплексом (full duplex). Модемы бывают внутренними (в виде электронной платы, подключаемой к шине ISA компьютера) и внешними, в виде отдельного устройства. Отличаются модемы поддерживаемыми протоколами связи и скоростью модуляции (modulation speed). Она определяет физическую скорость передачи данных, которая измеряется количеством бит в секунду (бит/с). Устройство, сочетающее возможности модема и средства для обмена факсмильными изображениями, называется факс-модемом.

Мышь (Англ. mouse — мышь), компьютерный манипулятор, указательное устройство для ввода информации, получившее распространение с появлением операционных систем с графическим интерфейсов.

Мышь представляет собой легко умещающуюся в ладони коробочку с кнопками. При перемещении мыши по столу или иной поверхности происходит аналогичное перемещение курсора на экране монитора. С помощью кнопок мыши можно подавать команды компьютеру. Мышь делает очень удобным манипулирование такими широко распространенными в графических пакетах объектами, как окна, меню, пиктограммы. Первую компьютерную мышь создал сотрудник фирмы Ксерокс Дуглас Энджелбарт. Компания Эпл (Apple) первой оснастила мышами свои компьютеры Макинтош (Macintosh). Подавляющее число компьютерных мышек используют оптико-механический принцип кодирования перемещения. С поверхностью стола соприкасается тяжелый, покрытый резиной шарик сравнительно большого диаметра. Ролики, прижатые к поверхности шарика, установлены на перпендикулярных друг другу осях с двумя датчиками. Датчики, представляющиесобой оптические пары (светодиод-фотодиод), располагаются по разные стороны дисков с прорезями. Порядок, в котором освещаются фоточувствительные элементы, определяет направление перемещения мыши, а частота приходящих от них импульсов — скорость. Хороший механический контакт с поверхностью обеспечивает специальный коврик. Более точного позиционирования курсора позволяет добиться оптическая мышь. Для нее используется специальный коврик, на поверхности которого нанесена мельчайшая сетка из перпендикулярных друг другу темных и светлых полос. Расположенные в нижней части мыши две оптические пары освещают коврик и по числу пересеченных при движении линий определяют величину и скорость перемещения. Разрешающая способность применяемого в мыши устройства считывания координат составляет 400 dpi (Dot per Inch — точек на дюйм) и выше, превосходя аналогичные значения для механических устройств.

 

 

 

Лекция 7

Программное обеспечение ПК

Цель: Ознакомление с основными понятиями и приобретение теоретических знаний по  теме 3.1. «Типы программного обеспечения. Базовые компоненты программного обеспечения. Понятие системного и служебного (сервисного) программного обеспечения: назначение, возможности, структура. BIOS. Операционные системы (ОС). Драйверы. Утилиты.  Прикладное программное обеспечение: текстовые редакторы, электронные таблицы, базы данных, системы управления базами данных, графические редакторы. Инструментальные средства разработки программ. Понятия алгоритма, алгоритмизации. Языки программирования, их классификация».

И по теме 4.1. «Понятие и назначение операционных систем. Функции и режимы работы операционных систем. Виды операционных систем».

 

Программное обеспечение это комплекс компьютерных программ и конфигурационных файлов, обеспечивающий определенный уровень эффективности функционирования системы обработки информации при решении вычислительных, информационных и функциональных задач. Различают общее программное  обеспечение (для организации вычислительного процесса на данной компьютеров) и специальное программное обеспечение (для решения конкретных задач).

 

Компьютерные программы подразделяются на три категории:

1. Системные программы:

-        операционная система (ОС) — программа, обеспечивающая взаимодействие пользователя с компьютером и автоматическое безопасное (бесконфликтное) управлением выполнения множества программ, межпрограммным взаимодействием и компьютерными ресурсами, т.е. управляющая компьютером, запускающая другие программы и выполняющая сервисные функции при работе компьютера. Компонентами ОС являются базовая система ввода-вывода, файловая система, командный интерпретатор. Базовая система ввода-вывода необходима для управления периферийными устройствами при обслуживании приложений, компонентами компьютера и их тестирования.

-        Важным классом системных программ являются драйверы. они расширяют возможности ОС, позволяя ей работать с различными внешними устройствами, предоставляя протокол обмена данными.

-        К системным программам относятся программы – оболочки. Они обеспечивают удобный и наглядный способ работы с компьютером для ОС с  командным интерфейсом. Для ОС ДОС популярными программами-оболочками являются Norton Commander, Far.

-        Другие сервисные программы обычно выполняют различные вспомогательные функции — создают резервные копии используемой информации, проверяют работоспособность устройств компьютеров. К системным программам можно также отнести большое количество так называемых утилит, т.е. программ вспомогательного назначения, например:

-программы резервирования - позволяют быстро скопировать нужную информацию с жесткого  диска на внешние носители;

-антивирусные программы - для предотвращения заражения вирусами и ликвидации последствий заражения;

- программы –упаковщики (архиваторы) позволяют за счет специальных методов упаковки информации сжимать информации на дисках;

- программы – русификаторы приспосабливают другие программы (обычно ОС) для работы с русскими буквами (текстами и т.д.);

- программы для диагностики компьютера позволяют проверить конфигурацию компьютера и работоспособность его устройств;

- программы – КЭШи для дисков ускоряют доступ к информации на дисках путем организации в оперативной памяти  кэш – буфера, содержащего наиболее часто используемые участки диска;

-программы для оптимизации дисков позволяют обеспечить более быстрый доступ к информации на диске за счет оптимизации размещения данных на диске;

программы динамического сжатия дисков создают псевдодиски, информация которых хранится в сжатом виде в виде файлов на дисках, что позволяет хранить на дисках больше данных;

программы ограничения доступа позволяют защитить хранящиеся на компьютерах  данные от нежелательного доступа.

 

2. Прикладные программы, которые непосредственно выполняют необходимые пользователю компьютера работы (редактирование текстов, обработка информационных массивов, просмотр видео, пересылка сообщений). Большую группу программ прикладного программного обеспечения составляют программные пакеты, ориентированные на решение задач определенного класса, представляемые с точки зрения пользователя как единое целое. Примером пакета прикладных программ общего назначения являются электронные офисы  фирм Microsoft, Lotus Development, Sun Microsystems. В их состав входят: текстовый редактор, графический редактор, система управления базами данных, электронные таблицы.

 

3. Инструментальные программные средства - системы программирования, которые помогают создавать новые программы для компьютера.

            Как известно, компьютер – это прибор, способный производить вычисления и принимать логические решения в миллионы и даже миллиарды раз быстрее человека. Современные  суперкомпьютеры выполняют сотни миллиардов операций сложения в секунду.- это примерно столько же сколько сотни тысяч людей могут выполнить за год.

Компьютеры обрабатывают данные под управлением наборов команд, называемых компьютерными программами. Эти компьютерные программы направляют действия компьютера посредством упорядоченных наборов действий, предписанных людьми. Программы записываются на формализованных языках. Под формализованным языком понимают систему языковых средств или их символов с жесткими законами сочетаемости. К формализованным языкам относятся аппарат логики, математики, химии, языков программирования.

            Понятие языка для создания программ неразрывно связано, прежде всего, с определениями алгоритма и программы. Понятие алгоритма является основным для всей области компьютерного программирования. Алгоритм – описание последовательности ограниченного числа действий по преобразованию исходных данных, направленных на  достижение определенной цели или требуемого результата в течение конечного промежутка времени. Иначе говоря, алгоритм - это точное предписание, определяющее процесс перехода от исходных данных к результату. Современное значение слова «алгоритм» во многом аналогично таким понятиям как процесс, метод, способ, процедура, программа. Определенный алгоритм выполняется исполнителем, обеспечивается необходимой моделью вычислений. Реализация алгоритма является алгоритмическим процессом. Процесс разработки алгоритма для решения конкретного класса задач и описание его на каком-либо алгоритмическом языке называется алгоритмизацией.

            Алгоритмический язык программирования – формальная система для составления алгоритмов, включающая алфавит, приемы формирования синтаксических единиц на его основе и правила толкования.

            Программа (от греч. programma — объявление, распоряжение) вычислительной машины, описание алгоритма решения задачи, заданное на языке программирования (на машинный язык конкретной вычислительной машины переводится автоматически при помощи транслятора). Согласно ГОСТ 19781-90 РФ, программа – «данные, предназначенные для управления конкретными компонентами системы обработки информации в целях реализации определенного алгоритма». Это определение касается алгоритмических программ. Существуют, также, интеллектуальные программы, моделирующие процессы мышления человека, они предназначены для механизмов поиска решения задачи.

   Программирование это процесс подготовки задачи для решения его на компьютере, который может быть представлен как последовательность нескольких этапов:

1). Постановка задачи. На этом этапе подробно описывается исходная информация, и формируются требования к результату, а также описывается поведение программы в особых случаях.

2). Математическое или информационное моделирование. На этом этапе создается математическая модель решаемой задачи, и выбирается метод ее решения. Этот этап тесно связан с первым и рассматривается отдельно в том случае, когда нет единого метода решения задачи.

3). Разработка или выбор алгоритма. Здесь необходимо определить последовательность действий, которые надо выполнить для получения результата.

4). Программирование. Представление алгоритма на языке программирования.

5). Ввод программы и исходных данных в  компьютер.

6). Тестирование и отладка программы. На этом этапе выполняется проверка алгоритма программы с помощью компьютера.

7).  Исполнение программы и анализ результатов. После выдачи программой правильных результатов во всех тестах, она считается отлаженной. Программа поступает в эксплуатацию и используется для рабочих расчетов либо моделирования, которые включают в себя:

а) подготовку наборов исходных данных;

б) проведение вычислений на компьютере;

в) получение выходных данных.

            Язык программирования представляет собой набор специальных лингвистических средств (называемых часто лексемами) для описания данных и алгоритма их обработки на компьютере. На сегодня существуют сотни языков программирования, некоторые из них непосредственно понятны компьютеру, другие требуют промежуточных шагов трансляции. Их можно разделить на три основных типа:

1. Машинные языки; 2. Языки ассемблера; 3. Языки высокого уровня.

            Любой компьютер может понимать непосредственно  лишь свой собственный машинный язык. Машинный язык определяется при проектировании аппаратных средств этого компьютера. Машинные языки содержат в общем случае строки чисел, которые являются командами компьютеру на выполнение большинства элементарных операций в тот или иной момент времени. Машинные языки машинно-зависимы, т.е. могут быть использованы только на компьютере определенного типа. Они тяжелы для человеческого восприятия.

            Языки ассемблера заменили символьными кодами цифровые команды машинного языка, и для их преобразования в машинный код потребовались трансляторы, называемые ассемблерами. Языки ассемблера являются низкоуровневыми и машинно-зависимыми языками. Требуют написания многих команд для решения, даже самых простых задач.

            Для ускорения процесса программирования были разработаны языки высокого уровня, в которых иногда достаточно написать всего одни оператор для решения реальной задачи. Программы трансляции, преобразующие программы на языках высокого уровня в машинные коды, называются компиляторами. Языки высокого уровня  позволяют писать программы удобные для чтения и используют общепринятую математическую нотацию.

                                                                            

В настоящее время понятие алгоритма является одним из ключевых понятий информатики. Распространенные способы представления вычислительных  алгоритмов:

1) неформализованными средствами:

- построчная запись на ограниченном естественном языке;

-информационным графом, который позволяет представлять в графической форме последовательные и/или параллельные алгоритмы вычислений;

- в виде графической схемы, формируемой из набора графических символов;

2) на алгоритмическом языке программирования.

Свойства алгоритмов

Алгоритм от простого предписания отличают следующие свойства:

  • однозначность или детерминированность –  толкование правил выполнения действий и порядка их выполнения должно быть единственным;
  • Дискретность. Это свойство состоит в том, что алгоритм должен представлять процесс решения задачи как последовательное выполнение простых шагов. При этом для выполнения каждого шага алгоритма требуется конечный отрезок времени, т.е. преобразование исходных данных в результат осуществляется во времени дискретно.
  • конечность – обязательное завершение каждого из действий, составляющих алгоритм, а также завершение выполнения алгоритма в целом;
  • результативность – выполнение алгоритма  должно приводить к получению определенного результата;
  • массовость – возможность применения алгоритма для решения целого класса однотипных задач при различных начальных условиях, т.е. предполагается правильная работа данного алгоритма  при меняющихся в заданном диапазоне значений исходных данных;
  • правильность- алгоритм должен давать правильные результаты при решении поставленных задач. 

 

Базовые управляющие структуры (Типы алгоритмов)

Базовыми считаются такие вычислительные структуры с одним входом и одним выходом, посредством которых возможно описание структуры любого алгоритма. К их числу относятся следующие.

1. Следование (Линейный вычислительный процесс). Данной структурой описывается словесно или графически последовательное выполнение каких-либо действий в одном направлении. Т.е. направление  вычислительного процесса на любом этапе его продолжения является единственным. Линейный вычислительный процесс можно представить в виде следующих этапов: первый –задание исходных данных; второй- реализация вычислений; третий –вывод результатов счета.

2. Выбор (Разветвляющийся вычислительный процесс). Описывает выбор одного из нескольких путей ведения вычислительного процесса. Разветвляющимся вычислительным процессом называется процесс, который в зависимости от исходных данных и результатов промежуточных вычислений осуществляется по одному из нескольких возможных вариантов. Варианты (направления вычислений), по которым может реализоваться вычислительный процесс, называется ветвями.

3.Цикл - под циклом понимается вычислительный процесс, в ходе которого многократно выполняются одни и те же действия с разными данными.  Набор действий, описанных внутри цикла образует его тело. Цикл завершается при достижении в нем определенных условий, вызванных изменением данных. Место задания и проверки условия определяет тип циклов. Часто используются следующие типы циклов:

1) Цикл с предусловием. Согласно структуре вначале идет проверка условия. Если оно не соблюдается, управление вычислительным процессом передается ниже следующей структуре;

2) Цикл с постусловием. Проверка условия происходит каждый раз после выполнения всех действий, предусмотренных в теле цикла. Цикл выполняется до тех пор, пока не будет соблюдено условие (рис. 2);

3) Цикл с фиксированным числом повторений. Число повторений определяется как начальным и конечным значениями управляющей переменной, так и шагом ее изменения. Так, если первоначальное значение управляющей переменной I=0, а конечное  I=5, то при шаге, равном 2, структурой будет определено три повтора вычислений.

Итерационный вычислительный процесс – это циклический процесс, который продолжается до тех пор, пока разность между соседними, уточняемыми на каждом шаге цикла (итерации) значениями, не окажется меньше или равной некоторой заданной величине. Характерной особенностью итерационного процесса является то, что в нем количество повторений вычислений заранее неизвестно и становится известным после окончания вычислений. Решение об окончании вычислений принимается тогда, когда результаты счета на очередной итерации отличаются от предыдущих или эталонных не более чем на некоторую, наперед заданную величину (e). Второй особенностью итерационного процесса является то, что результаты вычислений очередного выполнения цикла используются как исходные данные при следующем выполнении цикла.

 

Выбор языка зависит, прежде всего, от типа решаемой задачи.  На сегодняшний день существуют сотни языков программирования, но для реализации вычислительных задач могут быть использованы не все. В перечне наиболее распространенных языков программирования по литературным данным приводятся такие высокоуровневые языки как С++, C#,  Delphi, Visual Basic [93, 94].

       Наиболее известными на протяжении многих лет являются следующие языки программирования:

Ада высокоуровневый язык общего назначения, основанный на языке Pascal. Он был разработан под патронажем Минобороны США и хорошо подходит для создания встроенных систем и систем, работающих в реальном времени. Язык Ада использовался преимущественно для разработки военных, космических и авиационных систем.

Fortran является  языком программирования, предназначенным для разработки  программ научных и инженерных расчетов. Его название расшифровывается как «Formula Translation» - транслятор формул. Он был разработан в 1955 г. и стал первым языком высокого уровня, в котором были представлены концепции переменных и циклов. В версии Fortran 90 язык был значительно расширен  и  оснащен возможностями для объектно-ориентированного  программирования. Язык постоянно развивается, и в настоящее время известны визуальные  версии с названием Visual Fortran, применяемые  в основном  для разработки научных и инженерных приложений.

С++ - объектно – ориентированный язык, разработанный в 1980 г. На базе языка С. Представляет разработчикам богатую и эффективную стандартную библиотеку. Является лучшим языком для создания операционных систем и других приложений.

С#  - является комбинацией объектно – ориентированного языка общего назначения и среды программирования, по синтаксису похож на С, С++, Java, разработана в Microsoft и включает богатый инструментарий, помогающий разрабатывать приложения на платформах Windows.

Delphi и Visual Basic относятся к средствам быстрой разработки приложений – RAD, т.е.  Rapid Application Development.  В основе таких  систем лежит технология визуального проектирования и событийного программирования, суть которой заключается в том, что среда разработки берет на себя большую часть рутинной работы, оставляя программисту работу по конструированию диалоговых окон и функций обработки событий. С помощью них можно создавать простые и сложные  приложения практически для любой области современных компьютерных технологий.  К наиболее известным из них относятся  Delphi, Visual Basic, Visual С++,  С#, SmallTalk и др.

Delphi – это визуальная среда разработки, в которой в качестве языка программирования используется язык Delphi - строго типизированный объектно-ориентированный язык, в основе которого лежит известный Object Pascal. Delphi  позволяет создавать самые различные программы: от простейших однооконных приложений до программ управления распределенными базами. В состав пакета включены разнообразные утилиты, обеспечивающие работу с базами данных, XML-документами, создание справочной системы, решение других задач, отличительной особенностью  последних версий, является поддержка технологии NET.

 

Понятие операционной системы

Операционная система – наиболее фундаментальная часть программного обеспечения, работающая в режиме ядра (супервизора). Большинство компьютеров имеют два режима работы: режим ядра и режим пользователя. Ядро исполняется в привилегированном режиме. В этом режиме она имеет полный доступ ко всему аппаратному обеспечению и может задействовать любую инструкцию,  которая машина в состоянии выполнить. Вся остальная часть программного обеспечения работает в режиме пользователя.  Программы как системные, так и прикладные, исполняются в непривилегированном («пользовательском») режиме работы процессора, в котором доступно лишь подмножество инструкций машины, т.е. получают доступ к оборудованию и  к другим ресурсам ядра, а также ресурсам иных программ только посредством системных вызовов.

 

Эволюция операционных систем и основные идеи

Предшественником ОС следует считать служебные программы (загрузчики и мониторы), а также библиотеки часто используемых подпрограмм, начавшие разрабатываться с появлением универсальных компьютеров 1-го поколения (конец 1940-х годов). Служебные программы минимизировали физические манипуляции оператора с оборудованием, а библиотеки позволяли избежать многократного программирования одних и тех же действий (осуществления операций ввода-вывода, вычисления математических функций и т. п.).

В 19501960-х годах сформировались и были реализованы основные идеи, определяющие функциональность ОС: пакетный режим, разделение времени и многозадачность, разделение полномочий, реальный масштаб времени, файловые структуры и файловые системы.

Необходимость оптимального использования дорогостоящих вычислительных ресурсов привела к появлению концепции «пакетного режима» исполнения программ. Пакетный режим предполагает наличие очереди программ на исполнение, причём ОС может обеспечивать загрузку программы с внешних носителей данных в оперативную память, не дожидаясь завершения исполнения предыдущей программы, что позволяет избежать простоя процессора.

Разделение времени и многозадачность.  Пакетный режим в своём развитом варианте требует разделения процессорного времени между выполнением нескольких программ. Необходимость в разделении времени (многозадачности, мультипрограммировании) проявилась ещё сильнее при распространении в качестве устройств ввода-вывода телетайпов (а позднее, терминалов с электронно-лучевыми дисплеями) (1960-е годы). Поскольку скорость клавиатурного ввода (и даже чтения с экрана) данных оператором много ниже, чем скорость обработки этих данных компьютером, использование компьютера в «монопольном» режиме (с одним оператором) могло привести к простою дорогостоящих вычислительных ресурсов. Разделение времени позволило создать «многопользовательские» системы, в которых один (как правило) центральный процессор и блок оперативной памяти соединялся с многочисленными терминалами. При этом часть задач (таких как ввод или редактирование данных оператором) могла исполняться в режиме диалога, а другие задачи (такие как массивные вычисления) — в пакетном режиме.

Разделение полномочий. Распространение многопользовательских систем потребовало решения задачи разделения полномочий, позволяющей избежать возможности изменения исполняемой программы или данных одной программы в памяти компьютера другой программой (намеренно или по ошибке), а также изменения самой ОС прикладной программой. Реализация разделения полномочий в ОС была поддержана разработчиками процессоров, предложивших архитектуры с двумя режимами работы процессора — «реальным» (в котором исполняемой программе доступно всё адресное пространство компьютера) и «защищённым» (в котором доступность адресного пространства ограничена диапазоном, выделенном при запуске программы на исполнение).

Реальный масштаб времени. Применение универсальных компьютеров для управления производственными процессами потребовало реализации «реального масштаба времени» («реального времени») — синхронизации исполнения программ с внешними физическими процессами. Включение функции реального масштаба времени в ОС позволило создавать системы реального времени, одновременно обслуживающие производственные процессы и решающие другие задачи (в пакетном режиме и/или в режиме разделения времени)

 

Есть приложения вычислительной техники, для которых ОС излишни. Например, встроенные микрокомпьютеры содержатся сегодня во многих бытовых приборах, автомобилях (иногда по десятку в каждом), сотовых телефонах и т. п. Зачастую такой компьютер постоянно исполняет лишь одну программу, запускающуюся по включении. И простые игровые приставки — также представляющие собой специализированные микрокомпьютеры — могут обходиться без ОС, запуская при включении программу, записанную на вставленном в устройство «картридже» или компакт-диске. Тем не менее, некоторые микрокомпьютеры и игровые приставки всё же работают под управлением особых собственных ОС.

 

В составе ОС различают три группы компонентов:

-        ядро, содержащее планировщик; драйверы устройств, непосредственно управляющие оборудованием; сетевая подсистема, файловая система;

-        системные библиотеки;

-        оболочка с утилитами.

 

Ядро — центральная часть операционной системы, управляющая выполнением процессов, ресурсами вычислительной системы и предоставляющая процессам координированный доступ к этим ресурсам. Основными ресурсами являются процессорное время, память и устройства ввода-вывода. Доступ к файловой системе и сетевое взаимодействие также могут быть реализованы на уровне ядра. Как основополагающий элемент ОС, ядро представляет собой наиболее низкий уровень абстракции для доступа приложений к ресурсам вычислительной системы, необходимым для их работы.

Объекты ядра ОС: Процессы; Файлы; События; Потоки; Семафоры; Мьютексы; Каналы; Файлы, проецируемые в память.

В определении состава ОС значение имеет критерий операциональной целостности (замкнутости): система должна позволять полноценно использовать (включая модификацию) свои компоненты. Поэтому в полный состав ОС включают и набор инструментальных средств (от текстовых редакторов до компиляторов, отладчиков и компоновщиков).

Функции операционных систем

Основные функции:

-        Загрузка программ в оперативную память и их выполнение.

-        Выполнение по запросу программ тех достаточно элементарных (низкоуровневых) действий, которые являются общими для большинства программ и часто встречаются почти во всех программах (ввод и вывод данных, запуск и остановка других программ, выделение и освобождение дополнительной памяти и др.). различные программы нуждаются в выполнении одних и тех же рутинных действий. Например, простой ввод символа с клавиатуры и отображение его на экране может потребовать исполнения сотен машинных команд, а дисковая операция — тысяч. Чтобы не программировать их каждый раз заново, ОС предоставляют системные библиотеки часто используемых подпрограмм (функций);

-        Стандартизованный доступ к периферийным устройствам (устройства ввода-вывода).

-        Управление оперативной памятью (распределение между процессами, организация виртуальной памяти).

-        Управление доступом к данным на энергонезависимых носителях (таких как жёсткий диск, оптические диски и др.), организованным в той или иной файловой системе. Вычислительная система используется для различных задач, причём программы, исполняющие эти задачи, нуждаются в сохранении данных и обмене ими. Из этого следует необходимость универсального механизма сохранения данных; в подавляющем большинстве случаев ОС отвечает на неё реализацией файловой системы. Современные ОС, кроме того, предоставляют возможность непосредственно «связать» вывод одной программы со вводом другой, минуя относительно медленные дисковые операции;

-         Обеспечение пользовательского интерфейса.

-        Сетевые операции, поддержка стека сетевых протоколов.

Дополнительные функции:

-        Параллельное или псевдопараллельное выполнение задач (многозадачность). Необходима возможность имитации «одновременного» исполнения нескольких программ на одном компьютере (даже содержащем лишь один процессор), осуществляемой с помощью приёма, известного как «разделение времени». При этом специальный компонент, называемый планировщиком, делит процессорное время на короткие отрезки и предоставляет их поочерёдно различным исполняющимся программам (процессам);

-        Эффективное распределение ресурсов вычислительной системы между процессами.

-        Разграничение доступа различных процессов к ресурсам.

-        Организация надёжных вычислений (невозможности одного вычислительного процесса намеренно или по ошибке повлиять на вычисления в другом процессе), основана на разграничении доступа к ресурсам.

-        Взаимодействие между процессами: обмен данными, взаимная синхронизация.

-        Защита самой системы, а также пользовательских данных и программ от действий пользователей (злонамеренных или по незнанию) или приложений.

-        Многопользовательский режим работы и разграничение прав доступа. Между программами и пользователями системы необходимо распределять полномочия, чтобы пользователи могли защищать свои данные от несанкционированного доступа, а возможная ошибка в программе не вызывала тотальных неприятностей

Современные универсальные ОС можно охарактеризовать, прежде всего, как

  • использующие файловые системы (с универсальным механизмом доступа к данным),
  • многопользовательские (с разделением полномочий),
  • многозадачные (с разделением времени).
  • Многозадачность и распределение полномочий требуют определённой иерархии привилегий компонентов самой ОС.

Файловая система — способ хранения данных на внешних запоминающих устройствах.

 ОС работает с одной или несколькими файловыми системами, например, FAT(File Allocation Table – таблица размещения файлов), HPFS(High Performance File System – высокопроизводительная файловая система), NTFS(NT File System – файловая система  NT), NFS(Network File System – сетевая файловая система), AFS (Andrew File System), параллельные файловые системы для сетевых конфигураций.

Файловая система выполняет следующие функции:

- определяет возможные способы организации файлов и файловой структуры на носителе. Файловая структура организуется с помощью связываемых между собой каталогов;

- реализует методы доступа к содержимому файлов и предоставляет средства манипулирования  файлами и файловой структурой;

- отслеживает свободное пространство на носителе.

 

Интерфейсы ОС. Программный и пользовательский интерфейсы предназначены соответственно для связи между программами, программами и пользователями.

 

Таким образом, каждая ОС состоит как минимум из пяти обязательных частей:

Первая —интерпретатор , «переводчик» с программного языка на  язык  машинных кодов.

Вторая — драйверы специализированные программы для управления различными устройствами, входящими в состав компьютера.

Третья часть — и интерфейсы, специальные модули для выполнения стандартных процедур и функций, с которыми взаимодействуют прикладные программы. Таких библиотек в Windows очень много. Самый  яркий пример — DirectX, комплект инструментов для работы со звуком, видео и

другими мультимедийными ресурсами. Игры, музыкальные и видеопроигрыватели — все они используют DirectX, который берет на себя часть их работы. Иначе производителям каждой программы пришлось бы писать «с нуля» все модули для решения самых простых задач.

Четвертая часть — «база данных», в которую система вносит сведения обо всех своих настройках, об установленных программах и многом другом. Ведь невозможно хранить такие данные в теле самих программ — для этого пришлось бы бесконечно вмешиваться в их код, что, согласитесь, просто недопустимо. В эпоху DOS каждая программа вела свое собственное «досье», сохраняя всю необходимую информацию в своих конфигурационных файлах. Windows решила проблему иначе, великодушно выделив всем программам единый «склад» для хранения настроек — системный реестр. В реестре хранится и вся информация, необходимая для работы самой Windows.

И, наконец, пятая часть — удобная оболочка, с которой общается пользователь –графический пользовательский интерфейс.

 

 

Лекция 8

Цель: Ознакомление с основными понятиями и приобретение теоретических знаний по  теме 4.1. «Виды операционных систем. Операционные системы на ПК (DOS, Windows 3.1, Windows 9x, Windows NT, OS/2 , Unix, Linux и др.). Основные понятия файловой системы. Файлы, имена файлов. Организация файловой системы. Обслуживание файловой структуры.  Элементы технического сервиса ПК: установка операционной системы, создание индивидуальной операционной среды пользователя, сервис сменных носителей информации (магнитные диски, компакт диски), поддержка целостности данных, расширение и модернизация конфигурации аппаратных и программных средств».

 

Microsoft Windows (англ. windows — о́кна) — семейство проприетарных операционных систем корпорации Майкрософт (Microsoft), ориентированных на применение графического интерфейса при управлении. Изначально были представлены многофункциональными надстройками для MS-DOS.

В настоящее время под управлением операционных систем семейства Windows работает около 90 % персональных компьютеров. Операционные системы Windows работают на платформах x86, x86-64, IA-64, ARM. Существовали также версии для DEC Alpha, MIPS, PowerPC и SPARC[2].

 

Графические интерфейсы и расширения для DOS

Эти версии Windows не были полноценными операционными системами, а являлись надстройками к операционной системе MS-DOS и были по сути многофункциональным расширением, добавляя поддержку новых режимов работы процессора, поддержку многозадачности, обеспечивая стандартизацию интерфейсов аппаратного обеспечения и единообразие для пользовательских интерфейсов программ. Предоставляли встроенные средства (GDI) для создания графического интерфейса пользователя. Они работали с процессорами начиная с Intel 8086.

Windows 1.0 (1985)

Windows 2.0 (1987)

Windows 2.1 (Windows 386) (1987) — в системе появилась возможность запуска DOS-приложений в графических окнах, причём каждому приложению предоставлялись полные 640 Кб памяти. Полная поддержка процессора 80286. Появилась поддержка процессоров 80386.

Windows 3.0 (1990) — улучшена поддержка процессоров 80386 и защищённого режима.

Windows 3.1 (1992) — серьёзно переработанная Windows 3.0; устранены UAE (Unrecoverable Application Errors — фатальные ошибки прикладных программ), добавлен механизм OLE, печать в режиме WYSIWYG («что видите, то и получите»), шрифты TrueType, изменён Проводник (диспетчер файлов), добавлены мультимедийные функции.

Windows для рабочих групп (Windows for Workgroups) 3.1/3.11 — первая версия ОС семейства с поддержкой локальных сетей. В WFWG 3.11 также испытывались отдельные усовершенствования ядра, применённые позднее в Windows 95.

Семейство Windows 9x

Включает в себя Windows 95, Windows 98 и Windows Me.

Windows 95 была выпущена в 1995 году. Её отличительными особенностями являются новый пользовательский интерфейс, поддержка длинных имён файлов, автоматическое определение и конфигурация периферийных устройств Plug and Play, и способность исполнять 32-битные приложения. Windows 95 использует вытесняющую многозадачность и выполняет каждое 32-битное приложение в своём адресном пространстве.

Операционные системы этого семейства не являлись безопасными многопользовательскими системами как Windows NT, поскольку строгое разделение исполняющихся приложений не было реализовано в ядре. Программный интерфейс был подмножеством Win32 API поддерживаемым Windows NT, но имел поддержку юникода в очень ограниченном объёме[7]. Также в нём не было должного обеспечения безопасности.

В составе Windows 95 присутствовал MS-DOS 7.0, однако его роль сводилась к обеспечению процесса загрузки и исполнению 16-битных DOS приложений.

 

Семейство Windows NT

Операционные системы этого семейства в настоящее время работают на процессорах с архитектурами x86, x64, и Itanium. Ранние версии (до 4.0 включительно) также поддерживали некоторые RISC-процессоры: Alpha, MIPS, и Power PC. Все операционные системы этого семейства являются полностью 32-битными операционными системами, и не нуждаются в MS-DOS даже для загрузки.

Только в этом семействе представлены операционные системы для серверов. До версии Windows 2000 включительно они выпускались под тем же названием что и аналогичная версия для рабочих станций, но с добавлением суффикса, например «Windows NT 4.0 Server» и «Windows 2000 Datacenter Server». Начиная с Windows Server 2003, серверные операционные системы называются по-другому.

Windows NT 3.1 (1993)

Windows NT 3.5 (1994)

Windows NT 3.51 (1995)

Windows NT 4.0 (1996)

Windows 2000 (2000) — Windows NT 5.0

Windows XP (2001) — Windows NT 5.1

Windows XP 64-bit Edition (2006) — Windows NT 5.2

Windows Server 2003 (2003) — Windows NT 5.2

Windows Vista (2006) — Windows NT 6.0

Windows Home Server (2007) — Windows NT 5.2

Windows Server 2008 (2008) — Windows NT 6.0

Windows Small Business Server (2008) — Windows NT 6.0

Windows 7 — Windows NT 6.1 (2009)

Windows Server 2008 R2 — Windows NT 6.1 (2009)

В основу семейства Windows NT положено разделение адресных пространств между процессами. Каждый процесс имеет возможность работать с выделенной ему памятью. Однако он не имеет прав для записи в память других процессов, драйверов и системного кода.

Семейство Windows NT относится к операционным системам с вытесняющей многозадачностью. Разделение процессорного времени между потоками происходит по принципу «карусели». Ядро операционной системы выделяет квант времени (в Windows 2000 квант равен примерно 20 мс) каждому из потоков по очереди при условии, что все потоки имеют одинаковый приоритет. Поток может отказаться от выделенного ему кванта времени. В этом случае система перехватывает у него управление (даже если выделенный квант времени не закончен) и передаёт управление другому потоку. При передаче управления другому потоку система сохраняет состояние всех регистров процессора в особой структуре в оперативной памяти. Эта структура называется контекстом потока. Сохранение контекста потока достаточно для последующего возобновления его работы.

 

Семейство ОС Windows Mobile для карманных компьютеров

Это семейство операционных систем реального времени было специально разработано для встраиваемых систем. Поддерживаются процессоры ARM, MIPS, SuperH и x86. В отличие от остальных операционных систем Windows, операционные системы этого семейства продаются только в составе готовых устройств, таких как смартфоны, карманные компьютеры, GPS навигаторы, MP3 проигрыватели, и другие.

В настоящее время под термином «Windows CE» понимают только ядро операционной системы. Например Windows Mobile 5.0 включает в себя ядро Windows CE 5.0, хотя в некоторых устройствах ядро Windows CE используется и без Windows Mobile.

 

Семейство встраиваемых ОС Windows Embedded

Windows Embedded — это семейство операционных систем реального времени, было специально разработано для применения в различных встраиваемых системах. Ядро системы общее с семейством ОС Windows CE и поддерживает процессоры ARM, MIPS, SuperH и x86. Windows Embedded включает дополнительные функции по встраиванию, среди которых фильтр защиты от записи (EWF и FBWF), загрузка с флеш-памяти, CD-ROM, сети, использование собственной оболочки системы и т. п. В отличие от остальных операционных систем Windows, операционные системы этого семейства продаются только в составе готовых устройств, таких как: банкоматы, медицинские приборы, навигационное оборудование, «тонкие» клиенты, VoIP-терминалы, медиапроигрыватели, цифровые рамки (альбомы), кассовые терминалы, платёжные терминалы, роботы, игровые автоматы, музыкальные автоматы, и другие.

 

Windows Vista – это  версия Microsoft Windows, из серии графических операционных систем для персональных компьютеров, для дома так и для работы. До объявления о ее разработке 22 июля 2005, Vista была известна как Longhorn. 8 ноября 2006, разработка Windows Vista была завершена и версия вышла в продажу. За следующие два месяца вышла последняя версия для MSDN, TechNet Плюс и TechNet, прямых покупателей, производителей компьютерного программного обеспечения и комплектующих, и заказчиков лицензионных программ. 30 января 2007, программа была представлена широкой публике во всем мире, и стала доступной для закупки и загрузке с вебсайта  Microsoft. Microsoft утверждала, что Windows Vista содержит много новых свойств ; некоторые из наиболее значительных включают обновленный графический пользовательский интерфейс, и визуальный стиль напоминает Windows Aero, улучшенные поисковые возможности, новые мультимедийные инструменты записи типа Windows DVD Maker, и полностью перепроектировал организацию работу сети, аудио, печати, и подсистемы дисплея. Vista также стремится увеличивать уровень связи между устройствами в домашней сети, используя технологию соединения равноправных узлов ЛВС, облегчая распределение файлов и цифровой информации между компьютерами и устройствами.

Для разработчиков, Vista представляет версию 3.0 .NET Framework, которая значительно облегчает работу по написанию высококачественных приложений, чем на традиционным Windows API.

Первичная цель Microsoft при создании Vista, состояла в том, чтобы улучшить состояние безопасности в операционной системе Windows. Наиболее часто встречающаяся критика Windows XP и его предшественников вызвана уязвимостью системы безопасности и восприимчивостью к вирусам, и слишком маленьким буфером. В свете этого, председатель Microsoft Билл Гейтс объявил в начале 2002 ‘Trustworthy Computing initiative’, которая была призвана внести дополнительную безопасность в каждый аспект разработки программного обеспечения в компании. Microsoft утверждала, что выбрала своим приоритетом усиление безопасности Windows XP и Windows Server 2003 до завершения работы по Windows Vista что и явилось причиной задержки ее выпуска. В течение разработки Vista существовало множество отрицательных мнений среди различных групп. Критиковали Windows Vista за слишком долгое время разработки, более строгие условия лицензирования, включая множество новых технологии Управления Цифровыми Правами, нацеленные на ограничение копирования защищенных цифровой информации, и возможности использования новых свойств типа Контроля Пользовательского Аккаунта.

 

Windows 7. 2009 г.

Windows 7 — операционная система семейства Windows NT, следующая за Windows Vista. Следующая за Windows 7 система в линейке Windows 8. В линейке Windows NT система имеет номер версии 6.1 (Windows 2000 — 5.0, Windows XP — 5.1, Windows Server 2003 — 5.2,Windows Vista и Windows Server 2008 — 6.0). Серверной версией является Windows Server 2008 R2, версией для интегрированных систем (построенных из компонентов Windows) — Windows Embedded Standard 2011 (Quebec), мобильной — Windows Embedded Compact 2011 (Chelan,Windows CE 7.0).

Операционная система поступила в продажу 22 октября 2009 года, меньше, чем через три года после выпуска предыдущей операционной системы, Windows Vista. Партнёрам и клиентам, обладающим лицензией Volume Licensing, доступ к RTM был предоставлен 24 июля 2009 года. В интернете оригинальные установочные образы финальной версии системы были доступны с 21 июля 2009 года.

По данным веб-аналитики от W3Schools (англ.), на август 2012 года доля Windows 7 среди используемых в мире операционных систем для доступа к сети Интернет в мире составила 54,5 %, тем самым, эта операционная система находится на 1 месте в мире по использованию, превзойдя в августе 2011 года по этому показателю предыдущего лидера —Windows XP

 

            Улучшенный рабочий стол. Windows 7 позволяет вам подготовиться к работе с компьютером быстрее, чем когда-либо ранее. На панели задач кнопки стали больше, и появилась возможность предварительного просмотра в полный размер; к тому же, к ней можно прикреплять программы для быстрого доступа к ним. Списки переходов снабжены ярлыками к файлам, папкам и веб-сайтам. А функции SnapPeek и Shake обеспечивают простые (и интересные) новые способы переключения между всеми открытыми окнами. Т.е. Windows 7 по-прежнему сохраняет графический интерфейс Aero, который был в Windows Vista.

Shake — В интерфейс Windows Aero добавлена новая функция Aero Shake, позволяющая свернуть все неактивные приложения движением мыши. Для её активации достаточно захватить заголовок окна и немного «потрясти».

Peek — Функция Aero Peek позволяет отображать уменьшенные копии окон при наведении мыши на значок панели задач, переключаться между окнами приложения простым кликом по значку, перетаскивать и фиксировать на панели задач различные окна и приложения, просматривать рабочий стол одним наведением в специальную область экрана и многое другое. Данная функция не включена в версию Starter.

Snap — Аналогично функции Shake функция Aero Snap позволяет движением мыши разворачивать окно на пол-экрана, весь экран или только по вертикальной оси.

Более результативный поиск. Введите запрос в поле поиска меню "Пуск", и мгновенно отобразятся результаты, сгруппированные по категориям: документы, изображения, музыка, электронная почта и программы. Выполните поиск в папке или библиотеке, точно настроив поиск с помощью фильтров, например по дате или типу файла — и просматривайте результаты в области предварительного просмотра.

Удобный общий доступ в домашней группе. Общий доступ к файлам и принтерам в домашней сети не менее двух компьютеров под управлением Windows 7, и после несложных действий вы можете начать обмениваться музыкой, изображениями, видеозаписями и документами с другими пользователями в доме.

 

Цель — скорость. В Windows 7 повышено быстродействие,благодаря которому задействуется меньший объем памяти, а фоновые службы запускаются только при необходимости. Она быстрее запускает ваши программы и затрачивает меньше времени на переход в спящий режим, возобновление работы и повторное подключение к беспроводным сетям. А, благодаря  поддержке 64-разрядных систем, можно использовать все преимущества новейших технологий на мощных 64-разрядных компьютерах.

 

Улучшенная работа в беспроводных сетях. Подключение кбеспроводным сетям на ноутбуке, ранее требовавшее значительных усилий, теперь выполняется парой щелчков мыши. Выберите сеть в списке доступных сетей панели задач, щелкните ее и установите подключение. После подключения к сети Windows запомнит ее, чтобы вы могли в дальнейшем устанавливать это подключение автоматически.

 

Windows Touch. Используйте пальцы для просмотра веб-страниц, пролистывания фотографий и открытия файлов и папок на компьютере с сенсорным экраном — Windows впервые содержит настоящую мультисенсорную технологию. Используя жесты для изменения масштаба, вращения и даже вызова контекстного меню, вы откроете абсолютно новый способ работы на компьютере.

 

Полное взаимодействие с устройствами. Device Stage, новая функция в Windows 7, работает как домашняя страница для таких устройств, как портативные музыкальные проигрыватели, смартфоны и принтеры. При подключении совместимого устройства к компьютеру будет отображено меню со сведениями и распространенными задачами, например о заряде батареи, количестве фотографий, готовых для загрузки, и параметрах печати.

 

Потоковая передача мультимедиа. Благодаря новым возможностям  проигрывателя  Windows 12 можно наслаждаться записями из библиотеки мультимедиа по всему дому — или по всему городу. Воспроизведение на устройствах обеспечивает потоковую передачу музыки, видеозаписей и фотографий с компьютера на стереосистему или телевизор (может потребоваться дополнительное оборудование). А Удаленная потоковая передача мультимедиа позволяет даже передавать потоки файлов через Интернет с одного компьютера под управлением Windows 7 на другой, находящийся очень далеко.

 

Internet Explorer 9 и служба Windows Live.‌ Windows 7раскрывает все возможности браузера Internet Explorer 9, от впечатляющей аппаратно ускоряемой графики до запуска избранных веб-сайтов с панели задач. Вы также бесплатно получите многие возможности службы Windows Live: создание фотоальбомов и фильмов, видеоразговоры с высоким разрешением и обмен содержимым, где бы вы ни находились.

 

Безопасность

В Windows 7 реализована более гибкая настройка User Account Control (UAC), которая в отличие от Windows Vista имеет ещё два промежуточных состояния — «Уведомлять, только при попытках программ внести изменения в компьютер» (положение по умолчанию), «Уведомлять, только при попытках программ внести изменения в компьютер (не затемнять рабочий стол)». Внесены изменения в технологию шифрования BitLocker и добавлена функция шифрования съёмных носителей BitLocker to go, позволяющая шифровать съёмные носители, причём даже при отсутствии модуля TPM. Добавлена возможность защиты данных на USB-накопителях с помощью Enhanced Storage. Улучшения коснулись и брандмауэра Windows: вернулась функция уведомления пользователя о блокировке программы, которая пытается получить доступ к сети. С помощью групповой политики и функции AppLocker можно запретить запуск определенных приложений.

Функция DirectAccess позволяет устанавливать безопасное соединение с сервером в фоновом режиме, в отличие от VPN, которому требуется участие пользователя. Также Direct Access может применять групповые политики до входа пользователя в систему.

 

Уведомления, которые не надоедают. Центр поддержки, новая возможность Windows 7, позволяет контролировать отображение сообщений об обслуживании и безопасности. Можно включать и отключать уведомления для таких средств, как Защитник Windows или Контроль учетных записей. Если Windows требуется ваше внимание, вы увидите уведомление на правом краю панели задач. Щелкните его, чтобы получить рекомендации по устранению любых проблем.

 

Системные требования ОС Windows 7

 

  • 32-разрядный (x86) или 64-разрядный (x64) процессор с тактовой частотой 1 гигагерц (ГГц) или выше;
  • 1 гигабайт (ГБ) (для 32-разрядной системы) или 2 ГБ (для 64-разрядной системы) оперативной памяти (ОЗУ);
  • 16 гигабайт (ГБ) (для 32-разрядной системы) или 20 ГБ (для 64-разрядной системы) пространства на жестком диске;
  • графическое устройство DirectX 9 с драйвером WDDM версии 1.0 или выше, для обеспечения оптимальной производительности некоторых игр и программ может потребоваться графическая плата, совместимая с технологией DirectX 10 или более поздними ее версиями;
  • для некоторых функций Windows Media Center может потребоваться ТВ-тюнер и дополнительное оборудование;
  • для технологии Windows Touch и планшетных ПК требуется специализированное оборудование;
  • для домашней группы требуется сеть и компьютеры под управлением Windows 7;
  • для записи DVD-дисков и компакт-дисков требуется совместимый оптический дисковод;
  • для работы технологии BitLocker требуется доверенный платформенный модуль (TPM) 1.2;
  • для функции BitLocker To Go необходимо наличие USB-устройства флэш-памяти;
  • для режима Windows XP требуется дополнительно 1 ГБ ОЗУ и 15 ГБ свободного места на диске;
  • для прослушивания музыки и работы со звуком необходим аудиовыход.

 

Графические возможности и функции продукта могут различаться в зависимости от конфигурации системы. Для некоторых функций может потребоваться дополнительное или более современное оборудование. Windows 7 предназначена для работы с современными многоядерными процессорами. Все 32-разрядные версии Windows 7 поддерживают до 32 ядер процессора, а 64 разрядные версии — до 256 ядер.

 

Выпуски Windows 7: Профессиональная, Корпоративная и Максимальная позволяют использовать два физических процессора, обеспечивая оптимальную производительность на подобных компьютерах. Выпуски Windows 7-  Начальная, Домашняя базовая и Домашняя расширенная будут распознавать только один физический процессор.

 

Windows 8 ,  следующая за Windows 7 и разработанная транснациональной корпорацией Microsoft. Windows 8 поступила в продажу 26 октября 2012 года.

 

Интегрированные программные продукты

Пакет Microsoft Windows включает в себя стандартные приложения, такие как браузер (Internet Explorer), почтовый клиент (Outlook Express или Windows Mail), музыкальный и видео проигрыватель (Windows Media Player). С помощью технологий COM и OLE их компоненты могут быть использованы в приложениях сторонних производителей. Эти продукты бесплатны, и могут быть свободно скачаны с официального сайта Microsoft, однако для установки некоторых из них необходимо иметь лицензионную версию Microsoft Windows. Запуск этих программ под другими операционными системами возможен только с помощью эмуляторов среды Windows (Wine), хотя такое их использование нарушает пользовательское соглашение.

Вокруг факта включения таких стандартных продуктов в ОС Windows разгорается много дискуссий и юридических споров, поскольку есть мнение, что это создает препятствия для распространения конкурирующих продуктов. Часто ставят под сомнение качество браузера Internet Explorer, объясняя его популярность вхождением в пакет Windows и плохой осведомленностью пользователей о наличии альтернатив.

В 1997 компания Sun Microsystems подала в суд на компанию за использование технологий Java. В 2001 Microsoft выплатила штраф, и исключила виртуальную машину Java из состава своих продуктов. В январе 2003 года была создана операционная система Win. Home Edition (WHE 1.01). Данная версия операционной системы была разработана для спец. ведомств стран СНГ и РФ, однако не получила широкого распространения и в дальнейшем была заменена более совершенной версией. В марте 2004 года Европейская комиссия оштрафовала Майкрософтв ответ на это Microsoft выпустила для продажи в Европе «Windows XP N», версию Windows XP без Windows Media Player В декабре 2005 Европейская комиссия вновь оштрафовала Майкрософт, за то, что компания открыла только исходные коды, достаточные для создания конкурента Windows Media Services, но не документацию

Компания Майкрософт продолжает отстаивать своё право включать свои продукты в пакет Windows и продолжает разрабатывать новые интегрированные продукты В 2009 году планировался выпуск «Windows 7 Europe» для европейского рынка, но Microsoft достигла соглашения с Европейской комиссией, и выход был отменён Тем не менее, редакции KN и N появятся в продаже. Также, начиная с Windows 7, браузер стал опциональным компонентом, а почтовый клиент распространяется отдельно — в составе Windows Live Essentials

 

Офисные приложения.  Узкий класс программного обеспечения, а именно офисные приложения, иначе называемые приложениями для бизнеса (business application), или системами автоматизации делопроизводства. Именно офисные приложения составляют львиную долю реально используемого программного обеспечения.

            В последнее время в компьютерном  сообществе стали употребляться выражения «вертикальные» и «горизонтальные» приложения. Эти термины заимствованы из модной экономической фразеологии, и соответствуют неформальным определениям «заказное» и «коробочное» приложение. В первом случае подразумевается приложение, которое сделано по конкретному индивидуальному заказу, а во - втором  приложение, рассчитанное на массовый спрос и которое можно купить в магазине.

        Пакет Microsoft Office является одной из наиболее мощных современных офисных интегрированных систем. Microsoft Office содержит полнофункциональные программы и объединяет их в одно неразрывное целое, тем самым расширяя их возможности. Пакет  предоставляет легкий доступ к мощным и хорошо понятным пользователю инструментам, позволяющим сосредоточиться на выполняемой работе. Интегрированность  пакета заключается в возможности комбинировать документы из множества приложений в один « виртуальный документ». Такой уровень интеграции и простоты в использовании пакета Office не имеет равных в среде офисных наборов программ. Высокий уровень интеграции  пакета  Office обеспечивается общими интерфейсами, возможностью связывать данные одного приложения  с другим и общими инструментами.   В офисных системах  встроены возможности тесного взаимодействия с корпоративными сетями и Интернет. Значительно упрощен совместный доступ к документам Office в пределах локальных сетей. Есть функции Office которые  отслеживают время, затрачиваемое пользователем на работу с каждым документом, не зависимо от его нахождения, что помогает более эффективно работать над проектами. Office – системы облегчают обмен информацией с Web – сервером, так как все приложения Office могут автоматически оформлять работу в виде документов HTML. В средствах проверки грамматики применяется генерация естественных  языковых конструкций, что позволяет точнее обнаруживать и исправлять грамматические и стилистические ошибки.

Общие функции офисных приложений. Приложения Office (Microsoft Word, Microsoft Excel, Microsoft Access, Microsoft Power Point, Microsoft Outlook, FrontPage, Publisher)обмениваются между собой компонентами и даже процедурами, что делает их применение боле полным.  Многие общие функции программ Office , такие как диалоговое окно File Open (Открытие документа)  и функции Spell Checker (Орфография), в действительности являются общими процедурами. Это не только делает интерфейс унифицированным, содержащим сходные панели инструментом  и меню, но и ускоряет переключение между программами пакета, так как при запуске первой программы уже загружается часть кода следующей. К общим процедурам Office относятся, также, функции Office Assistant (Помощник), AutoCorrect (Автозамена), File Starter (Открытие документов), FastFind (Поиск файлов),  Print (Печать), Save (Сохранить). Ряд общих компонентов обеспечивает в любой момент единообразное выполнение специальных функций. Интерфейс этих компонентов обеспечивает в любой момент единообразное выполнение специальных функций. Интерфейс этих компонентов открыт и позволяет добавлять самостоятельно утилиты, в целом совместимые с пакетом.

В настоящее время Microsoft Windows установлена примерно на 92 % персональных компьютеров и рабочих станций. По данным компании Net Applications, в марте 2010 года рыночная доля Windows составляла 91,63 %, Mac —5,33 %, Linux —1,03 % прочие — менее 1 % . Также заметен рост пользователей операционных систем Linux (по данным Net Applications — c 0,93 % в августе 2009 года до 1,03 % в марте 2010, а по данным w3schools— с 4,2 % до 4,5 % за тот же период), занимающей третье место в рейтингах популярности.

Среди различных версий Microsoft Windows наиболее популярны Windows XP и Windows 7.

 

UNIX, стандартизация операционных систем и POSIX

К концу 1960-х годов отраслью и научно-образовательным сообществом был создан целый ряд ОС, реализующих все или часть очерченных выше функций. К ним относятся Atlas (Манчестерский университет), CTTS и ITSS (Массачусетский технологический институт, MIT), THE (Эйндховенский технологический университет), RS4000 (Университет Орхуса) и др. (всего эксплуатировалось более сотни различных ОС).

Наиболее развитые ОС, такие как OS/360 (IBM), SCOPE (CDC ) и завершённый уже в 1970-х годах MULTICS (MIT и Bell Labs), предусматривали возможность исполнения на многопроцессорных компьютерах. Эклектичный характер разработки ОС привёл к нарастанию кризисных явлений, прежде всего, связанных с чрезмерными сложностью и размерами создаваемых систем. ОС были плохо масштабируемыми  (более простые не могли использовать все возможности крупных вычислительных систем; более развитые неоптимально исполнялись на малых или не могли исполняться на них вовсе) и полностью несовместимыми между собой, их разработка и совершенствование затягивались.

Задуманная и реализованная в 1969 году Кеном Томпсоном при участии нескольких коллег (включая Денниса Ритчи и Брайана Кернигана), ОС UNIX (первоначально UNICS, что обыгрывало название MULTICS) вобрала в себя многие черты более ранних ОС, но обладала целым рядом свойств, отличающих её от большинства предшественниц:

  • простая метафорика (два ключевых понятия: вычислительный процесс и файл);
  • компонентная архитектура: принцип «одна программа — одна функция» плюс мощные средства связывания различных программ для решения возникающих задач («оболочка»);
  • минимизация ядра (кода, выполняющегося в «реальном» (привилегированном) режиме процессора) и количества системных вызовов;
  • независимость от аппаратной архитектуры и реализация на машинно-независимом языке программирования (язык программирования Си стал побочным продуктом разработки UNIX);
  • унификация файлов.

UNIX, благодаря своему удобству прежде всего в качестве инструментальной среды (среды разработки), была тепло принята сначала в университетах, а затем и в отрасли, получившей прототип единой ОС, которая могла использоваться на самых разных вычислительных системах и, более того, могла быть быстро и с минимальными усилиями перенесена на любую вновь разработанную аппаратную архитектуру.

В конце 1970-х годов сотрудники Калифорнийского университета в Беркли внесли ряд усовершенствований в исходные коды UNIX, включая работу с протоколами TCP/IP. Их разработка стала известна под именем BSD (Berkeley Software Distribution). Задачу разработать независимую (от авторских прав Bell Labs) реализацию той же архитектуры поставил и Ричард Столлман, основатель проекта GNU. Благодаря конкурентности реализаций архитектура ОС UNIX стала вначале фактическим отраслевым стандартом, а затем обрела статус и стандарта юридического — ISO/IEC 9945[1].

Только ОС, отвечающие спецификации Single UNIX Specification, имеют право носить имя UNIX. К таким системам относятся AIX, HP-UX, IRIX, Mac OS X, SCO   OpenServer,  Solaris, Tru64 и z/OS.

ОС, следующие стандарту POSIX или опирающиеся на него, называют «POSIX-совместимыми» (чаще встречается словоупотребление «UNIX-подобные» или «семейство UNIX», но оно противоречит статусу торгового знака «UNIX», принадлежащего консорциуму The Open Group и зарезервированному для обозначения ОС, строго следующих стандарту). Сертификация на совместимость со стандартом стоит некоторых денег, из-за чего некоторые системы не проходили этот процесс, однако считаются POSIX-совместимыми просто потому, что это так.

К UNIX-подобным ОС относятся системы, основанные на последней версии UNIX, выпущенной Bell Labs (System V), на разработках университета Беркли (FreeBSD, OpenBSD, NetBSD), на основе Solaris (OpenSolaris, BeleniX, Nexenta), а также ОС GNU/Linux, разработанная в части утилит и библиотек проектом GNU и в части ядра — сообществом, возглавляемым Линусом Торвальдсом.

Стандартизация ОС гарантирует возможность безболезненной замены самой ОС и/или оборудования при развитии вычислительной системы или сети и дешёвого переноса прикладного программного обеспечения (строгое следование стандарту предполагает полную совместимость программ на уровне исходного текста; из-за профилирования стандарта и его развития некоторые изменения бывают всё же необходимы, но перенос программы между POSIX-совместимыми системами обходится на порядки дешевле, чем между альтернативными), а также преемственность опыта пользователей.

Самым заметным эффектом существования этого стандарта стало эффективное разворачивание Интернета в 1990-х годах.

 

Пост-UNIX-архитектуры операционных систем

Коллектив, создавший ОС UNIX, развил концепцию унификации объектов ОС, включив в исходную концепцию UNIX «устройство — это тоже файл» также и процессы, и любые другие системные, сетевые и прикладные сервисы, создав новую концепцию: «что угодно — это файл». Эта концепция стала одним из основных принципов ОС Plan9 (название было позаимствовано из фантастического триллера «План 9 из открытого космоса»), призванной преодолеть принципиальные недостатки дизайна UNIX и сменившей «рабочую лошадку» UNIX System V на компьютерах сети Bell Labs в 1992 году. Кроме реализации всех объектов ОС в виде файлов и размещения их на едином и персональном для каждого терминала вычислительной сети пространстве (namespace), были пересмотрены другие архитектурные решения UNIX. Например, в Plan9 отсутствует понятие «суперпользователь», и, соответственно, исключаются любые нарушения режима безопасности, связанные с нелегальным получением прав суперпользователя в системе. Для представления (хранения, обмена) информации Роб Пайк и Кен Томпсон разработали универсальную кодировку UTF-8, на сегодняшний день ставшую стандартом де-факто. Для доступа к файлам используется единый универсальный протокол 9P, по сети работающий поверх сетевого протокола (TCP или UDP). Таким образом, для прикладного ПО сети не существует — доступ к локальным и к удалённым файлам единообразен. 9P — байт-ориентированный протокол, в отличие от других подобных протоколов, являющихся блок-ориентированными. Это также результат работы концепции: доступ побайтно — к унифицированным файлам, а не по блочно — к разнообразным и сильно изменяющимися с развитием технологий устройствам. Для контроля доступа к объектам не требуется иных решений, кроме уже существующего в ОС контроля доступа к файлам. Новая концепция системы хранения избавила администратора системы от изнурительного труда по сопровождению архивов и предвосхитила современные системы управления версиями файлов.

ОС, созданные на базе или идеях UNIX, такие как всё семейство BSD и системы GNU/Linux, постепенно перенимают новые идеи из Bell Labs. Возможно, эти новые идеи ждёт большое будущее и признание ИТ-разработчиков.

 

 

Лекция 9

Компьютерные сети. Основы информационной безопасности.

Цель: Ознакомление с основными понятиями и приобретение теоретических знаний по теме 6.1. « Угрозы безопасности информации и их классификация. Законодательные и иные правовые акты государства, регулирующие правовые отношения в сфере информационной безопасности. Защита от несанкционированного вмешательства в информационные процессы. Организационные меры, инженерно-технические и иные методы защиты информации. Вирусы и антивирусная защита. Компьютерные сети: основные понятия»

 

Использование компьютеров — это всегда процесс обмена информацией: между пользователем и компьютером, компьютером и внешним запоминающим устройством, одного компьютера с другим, когда между компьютерами существует канал связи, через который происходит обмен информацией в реальном времени. Последнее уточнение говорит о том, что посланное первым компьютером сообщение принимается вторым через короткий промежуток времени, миллисекунды для локальной сети или секунды для глобальных сетей.

Известный сегодня всем термин "сеть" (network) означает, что некоторое число компьютеров соединено информационным каналом, через который с использованием строго определенного протокола происходит обмен данными. Для обозначения в сети одного компьютера или группы компьютеров, например, расположенных в одной комнате, используют термины: "точка", "узел".
В настоящее время существует множество вариантов соединения компьютеров между собой, различающихся как физическим способом организации каналов связи, так и применение тех или иных программ. Но у пользователей наибольшим успехом пользуются два наиболее удобных и дешевых варианта. Первый — это соединение нескольких компьютеров в локальную сеть по технологии Ethernet, а второй — использование модемного соединения для подключения к Глобальной сети Интернет.

 

Локальная сеть

Примером простейшей сети можно считать вариант, когда два компьютера соединены вместе, например ноутбук подключен к настольному компьютеру для синхронизации информации. Правда, многие считают, что это псевдосеть, хотя и в этом случае часто используются все аппаратные и программные средства, относящиеся к сетевой атрибутике. Но если применяются сетевые карты Ethernet и соответствующее сетевое программное обеспечение, то и подходить к такому объединению надо, как к обычной локальной сети.

 

Пример локальной сети, который часто применяется для соединения рабочих компьютеров (рабочая группа) небольшой фирмы или домашних компьютеров в одном большом доме или квартале приведен ниже на рисунке.

 

 

В такой локальной сети чаще всего нет отдельных компьютеров — серверов, которые выполняют служебные для всей сети функции. Все компьютеры в ней равноправны и представляют собой обычные персональные компьютеры (рабочие станции), на которых работают пользователи. Как правило, используются операционные системы Windows 9x и Windows 2000/XP.  Из программного обеспечения — стандартный набор Microsoft Office и несколько программ других производителей.

Когда связывают вместе больше двух компьютеров, то для указания физической организации каналов связи между компьютерами в локальной сети используют термин "топология сети". Имеются три базовые топологии сетей — "звезда", "кольцо" и "общая шина".

В локальной сети с топологией "звезда" к центральному компьютеру, который называется сервером, подключаются все остальные компьютеры — рабочие станции. В такой сети повреждение сетевого кабеля отражается на работоспособности только одной рабочей станции. В сетях с топологией "звезда" в большинстве случаев используется технология "клиент-сервер", когда в центре локальной сети находится сервер (файловый сервер).

Обычно это мощный компьютер с большим количеством винчестеров для хранения информации, к которому напрямую подключаются рабочие станции.
В локальной сети с топологией "кольцо" все компьютеры соединены друг с другом по кольцу. Данные, получаемые компьютером от предыдущего компьютера, транслируются им следующему.
Топология "общая шина" использует общий кабель, к которому подключаются все компьютеры. Такую топологию имеет локальная сеть Ethernet, построенная с использованием тонкого коаксиального кабеля. Шина (кабель) используется всеми компьютерами совместно, а для исключения помех друг другу применяются специальные протоколы передачи данных, которые регламентируют правила работы с сетью.


Топология "общая шина".

 

Для соединения компьютеров друг с другом — создания инфраструктуры локальной сети —  применяется наиболее простой и дешевый вариант локальной сети с использованием кабеля с витыми парами. В качестве коммутирующих устройств устанавливаются концентраторы — хабы (hub) и коммутаторы (swith).


 Хаб — наиболее простое устройство для соединения группы компьютеров в локальную сеть. Небольшая коробочка или печатная плата, вставляемая в слот компьютера, снабжена розетками — портами — для подключения сетевых кабелей. Коммутатор — это усовершенствованная версия хаба, у которого есть некоторый "интеллект". В отличие от хаба, коммутатор может определить маршрут, по которому должны пересылаться данные. То есть пакеты, поступившие на какой-либо порт, отправляются по нужному адресу. Кроме того, коммутатор преобразовывает входные сигналы, обеспечивая согласование работы всех сетевых плат, подключенных к нему, поэтому с помощью коммутатора можно соединить две сетевые платы, работающие в разных стандартах 10 и 100 Мбит/с.

В более сложных сетях устанавливают маршрутизаторы, которые не только обеспечивают согласование между компьютерами в локальной сети, но и, например, преобразуют IP-адреса пакетов, отправляя их только по нужному адресу. В отличие от хабов и коммутаторов, маршрутизатор разбирается в адресах компьютеров и может добавлять к пакетам служебную информацию. Маршрутизаторы обычно применяются для соединения нескольких сетей. Например, сеть Интернет создана на основе маршрутизаторов. Концентраторы, коммутаторы и маршрутизаторы для сети Ethernet всегда снабжаются большим количеством светодиодных индикаторов — от 1 до 3 на каждый сетевой порт. Причем цвет светодиода и режим работы — горит постоянно или мигает — зависит от состояния сетевого канала, подключенного к тому или иному порту. Например, постоянное свечение зеленым цветом индикатора Speed/Act означает, что к данному порту подключена сетевая плата 100 Мбит/с, а желтый цвет — сетевая плата 10 Мбит/с. В последнее время стал использоваться стандарт 1000 Мбит/с, а вместо обычного коаксиального кабеля или витой пары все чаще используют для соединения сетей оптоволоконные линии.

Для связи локальной сети с Интернетом к одному из компьютеров подключают модем, который с помощью программного обеспечения, входящего в операционную систему, или отдельных вспомогательных программ раздает трафик, полученный из Глобальной сети, по остальным компьютерам.

Для создания домашней локальной сети в каждый компьютер, включаемый в локальную сеть, надо добавить еще два компонента: аппаратный и программный, а для соединения всего этого вместе — набор коммутационных элементов. Отсутствие любого элемента не позволит использовать локальную сеть. Кроме того, все элементы, относящиеся к локальной сети, должны соответствовать друг другу.Сеть может быть реализована на коаксиальном кабеле, витой паре и оптоволоконной линии.

 

Протоколы

Протокол - набор правил и соглашений для передачи данных по сети. Такие правила определяют содержимое, формат, параметры времени, последовательность и проверку ошибок в сообщениях, которыми обмениваются сетевые устройства.

Протокол TCP/IP- (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) — самый популярный сетевой протокол, служащий основой Интернета. Предлагаемые им средства маршрутизации обеспечивают максимальную гибкость функционирования сетей предприятий. В Windows XP протокол TCP/IP установлен автоматически. В сетях TCP/IP клиентам должны быть назначены IP-адреса. Кроме того, клиентам может потребоваться служба имен или алгоритм разрешения имен. В этом разделе рассказывается о том, какие методы IP-адресации и разрешения имен в сетях TCP/IP поддерживает компонент «Сетевые подключения». Здесь также описаны служебные программы FTP и Telnet, входящие в комплект протокола TCP

Протокол FTP - один из протоколов TCP/IP, используемый для копирования файлов с одного компьютера на другой через Интернет. При этом оба компьютера должны поддерживать соответствующие роли FTP: один должен быть клиентом FTP, а другой — сервером FTP.

 

Технология Ethernet. В различных сетях существуют разные протоколы. Но сегодня чаще всего организуются локальные сети, использующие технологию Ethernet. Сетевую технологию Ethernet для взаимодействия компьютеров в локальной сети разработала фирма Xerox в 1975 г. На основе этой технологии IEEE был разработан стандарт IEEE 802.3. В дальнейшем он неоднократно дорабатывался. Сообщения, разбиваемые на пакеты, размером, например от 20 до 1024 байтов, в сети Ethernet передаются одним компьютером всем остальным, подключенным в сеть. Чтобы сеть могла правильно функционировать, в заголовках пакетов, передающихся по сети, присутствует адресная информация — адрес сетевой платы получателя сообщения. Адрес сетевой платы, так называемый МАС-адрес, всегда является уникальным и устанавливается на заводе-изготовителе (например — 0000E8EEEA13h).

При поиске компьютера в сети или ее первоначальной настройке используется метод широковещательной передачи, когда сообщение получается и обрабатывается всеми сетевыми платами.

Домен - группа компьютеров, образующих часть сети и использующих общую базу данных каталога. Домен администрируется как единый объект с определенными правилами и процедурами. Каждый домен имеет уникальное имя. Домен Active Directory — это группа компьютеров, определенная администратором сети Windows. Эти компьютеры используют общие базу данных каталогов, политики безопасности и доверительные отношения с другими доменами.

 

 

 

Информационная безопасность, основные понятия.

Информационная безопасность — это состояние защищённости информационной среды, защита информации представляет собой деятельность по предотвращению утечки защищаемой информации, несанкционированных и непреднамеренных воздействий на защищаемую информацию, то есть процесс, направленный на достижение этого состояния.

Информационная безопасность организации — состояние защищённости информационной среды организации, обеспечивающее её формирование, использование и развитие.

Информационная безопасность государства — состояние сохранности информационных ресурсов государства и защищенности законных прав личности и общества в информационной сфере

Сегодня для реализации эффективного мероприятия по защите информации требуется не только разработка средства защиты информации в сети и разработка механизмов модели защиты информации, а реализация системного подхода или комплекса защиты информации – это комплекс взаимосвязанных мер, описываемый определением «защита информации». Данный комплекс защиты информации, как правило, использует специальные технические и программные средства для организации мероприятий защиты экономической информации.

 

Быстро развивающиеся компьютерные информационные технологии вносят заметные изменения в нашу жизнь. Информация стала товаром, который можно приобрести, продать, обменять. При этом стоимость информации часто в сотни раз превосходит стоимость компьютерной системы, в которой она хранится. От степени безопасности информационных технологий в настоящее время зависит благополучие, а порой и жизнь многих людей. Такова плата за усложнение и повсеместное распространение автоматизированных систем обработки информации.

 

На практике важнейшими являются три аспекта информационной безопасности:

-     доступность (возможность за разумное время получить требуемую информационную услугу);

-     целостность (актуальность и непротиворечивость информации, ее защищенность от разрушения и несанкционированного изменения);

-     конфиденциальность (защита от несанкционированного прочтения).

 

Нарушения доступности, целостности и конфиденциальности информации могут быть вызваны различными опасными воздействиями на информационные компьютерные системы.

Опасные воздействия на компьютерную информационную систему можно подразделить на случайные и преднамеренные.

 

 

Программы с потенциально опасными последствиями

Программой с потенциально опасными последствиями назовем программу или часть программы, которая способна выполнить одно из следующих действий:

-      скрыть признаки своего присутствия в программной среде ПК;

-      самодублироваться, ассоциировать себя с другими программами и/или переносить свои фрагменты в какие-либо области оперативной или внешней памяти, не принадлежащие программе;

-      изменять код программ в оперативной или внешней памяти;

-      сохранять фрагменты информации из оперативной памяти в некоторых областях внешней памяти (локальных или удаленных);

-      искажать произвольным образом, блокировать и/или подменять выводимый во внешнюю память или канал связи массив информации, образовавшийся в результате работы прикладных программ, или уже находящиеся во внешней памяти массивы данных.

 

Программы с потенциально опасными последствиями можно условно подразделить на:

-классические программы-"вирусы";

-программы типа "программный червь" или "троянский конь" и фрагменты программ типа "логический люк";

-программы типа "логическая бомба";

-программные закладки - обобщенный класс программ с потенциально опасными последствиями.

 

Кроме того, такие программы можно классифицировать по методу и месту их внедрения и применения (то есть по "cпособу доставки" в систему):

- закладки, связанные с программно-аппаратной средой (BIOS);

- закладки, связанные с программами первичной загрузки;

- закладки, связанные с драйвером DOS, командным интерпретатором, сетевыми драйверами, то есть с загрузкой и работой операционной среды;

- закладки, связанные с прикладным программным обеспечением общего назначения (встроенные в клавиатурные и экранные драйверы, программы тестирования ПЭВМ, утилиты, файловые оболочки);

- исполняемые модули, содержащие только код закладки (как правило, внедряемые в пакетные файлы типа BAT);

- модули-имитаторы, совпадающие по внешнему виду с легальными программами, требующими ввода конфеденциальной информации;

- закладки, маскируемые под программные средства оптимизационного назначения (архиваторы, ускорители и т.д.);

- закладки, маскируемые под программные средства игрового и развлекательного назначения (как правило, используются для первичного внедрения других закладок; условное название - "исследователь").

 

Вирус

Первые исследования саморазмножающихся искусственных конструкций проводились в середине прошлого столетия: в работах фон Неймана, Винера и др. дано определение и проведен математический анализ конечных автоматов, в том числе самовоспроизводящихся. Термин "компьютерный вирус" появился позднее - официально считается, что его впервые употребил сотрудник Лехайского университета (США) Фред Коэн в 1984 году на 7-й конференции по безопасности информации, проходившей в США.

Компьютерным вирусом называется программа, которая может создавать свои копии (не обязательно совпадающие с оригиналом) и внедрять их в файлы, системные области компьютера, сети и так далее. При этом копии сохраняют способность дальнейшего распространения.

 

Вирусы можно разделить на классы по следующим признакам:

-по среде обитания вируса;

-по способу заражения среды обитания;

-по деструктивным возможностям.

 

По среде обитания различают вирусы сетевые, файловые, загрузочные и специальные. Сетевые вирусы распространяются по компьютерной сети, файловые внедряются в выполняемые файлы, загрузочные в загрузочный сектор диска(Boot) или сектор, содержащий системный загрузчик винчестера(Master Boot Record). Специальные ориентированы на конкретные особенности ПО, например вирус, заражающий документы редактора Word. Существуют сочетания - например, файлово-загрузочные вирусы, заражающие и файлы и загрузочные сектора дисков. Кроме того, по сети могут распространятся вирусы любых типов.

 

Способы заражения делятся на резидентный и нерезидентный. Резидентный вирус при инфицировании компьютера оставляет в оперативной памяти свою резидентную часть, которая затем перехватывает обращение операционной системы к объектам заражения и внедряется в них. Резидентные вирусы находятся в памяти и остаются активными вплоть до выключения или перезагрузки компьютера. Нерезидентные вирусы не заражают память компьютера и являются активными ограниченное время. Некоторые вирусы оставляют в оперативной памяти небольшие резидентные программы, которые не распространяют вирус. Такие вирусы считаются нерезидентными.

По деструктивным возможностям вирусы можно разделить на:

безвредные, никак не влияющие на работу компьютера (кроме уменьшения свободной памяти на диске в результате своего распространения);

неопасные, влияние которых ограничивается уменьшением свободной памяти на диске и графическими, звуковыми и прочими эффектами;

опасные вирусы, которые могут привести к серьезным сбоям в работе компьютера;

очень опасные вирусы, которые могут привести к потере программ, уничтожить данные, способствовать ускоренному износу или повреждению частей механизмов(например, головок винчестеров).

 

Люк

Люком называется не описанная в документации на программный продукт возможность работы с этим программным продуктом. Сущность использования люков состоит в том, что при выполнении пользователем некоторых не описанных в документации действий он получает доступ к возможностям и данным, которые в обычных условиях для него закрыты (в частности - выход в привилегированный режим).

 

Люки чаще всего являются результатом забывчивости разработчиков. В процессе разработки программы разработчики часто создают временные механизмы, облегчающие ведение отладки за счет прямого доступа к отлаживаемым частям продукта. По окончанию отладки большинство люков убирается из программы; но люди есть люди - зачастую они забывают о существовании каких-то мелких "лючков".

 

Одним из наиболее показательных примеров использования "забытых" люков является, пожалуй, широко известный в компьютерном мире инцидент с вирусом Морриса. Одной из причин, обусловивших возможность распространения этого вируса, была ошибка разработчика программы электронной почты, входящей в состав одной из версий операционной системы UNIX, приведшая к появлению малозаметного лючка. Для вас, наверное, будет небесполезно знать, что американские специалисты оценивают ущерб, нанесенный в результате этого инцидента, более чем в 100 миллионов долларов.

 

Компьютерные атаки и технологии их обнаружения

         Атакой на информационную систему называются преднамеренные действия злоумышленника, использующие уязвимости информационной системы и приводящие к нарушению доступности, целостности и конфиденциальности обрабатываемой информации. Устранение уязвимость информационной системы - устраняет и возможность реализации атак.

На сегодняшний день считается неизвестным, сколько существует методов атак. Говорят о том, что до сих пор отсутствуют какие-либо серьезные математические исследования в этой области. Но еще в 1996 году Фред Коэн описал математические основы вирусной технологии. В этой работе доказано, что число вирусов бесконечно. Очевидно, что и число атак бесконечно, поскольку вирусы - это подмножество множества атак.

Модели атак

Традиционная модель атаки строится по принципу "один к одному" или "один ко многим" (т.е. атака исходит из одного источника. Разработчики сетевых средств защиты (межсетевых экранов, систем обнаружения атак и т.д.) ориентированы именно на традиционную модель атаки. В различных точках защищаемой сети устанавливаются агенты (сенсоры) системы защиты, которые передают информацию на центральную консоль управления. Это облегчает масштабирование системы, обеспечивает простоту удаленного управления и т.д. Однако такая модель не справляется (в 1998 году) обнаруженной угрозой - распределенными атаками.

Сегодня существует и постоянно создается гигантское количество вредоносного и шпионского ПО, которое преследует целью порчу информации в базах данных и, хранящихся на компьютерах документов. Огромное количество разновидностей таких программ и их постоянное пополнение рядов не дает возможности раз и навсегда решить проблемы защиты информации и реализовать универсальную систему программно аппаратной защиты информации, пригодной для большинства информационных систем.

Вредоносное программное обеспечение, направленное на нарушение системы защиты информации от несанкционированного доступа можно классифицировать по следующим критериям:

Логическая бомба используется для уничтожения или нарушения целостности информации, однако, иногда ее применяют и для кражи данных. Логическая бомба является серьезной угрозой, и информационная безопасность предприятия не всегда способна справиться с подобными атаками, ведь манипуляциями с логическими бомбами пользуются недовольные служащие или сотрудники с особыми политическими взглядами, то есть, информационная безопасность предприятия подвергается не типовой угрозе, а непредсказуемой атаке, где главную роль играет человеческий фактор. Например, есть реальные случаи, когда предугадавшие свое увольнение программисты вносили в формулу расчета зарплаты сотрудников компании корректировки, вступающие в силу сразу после того, как фамилия программиста исчезает из перечня сотрудников фирмы. Как правило, ни программные средства защиты информации, ни физическая защита информации в этом случае на 100% сработать не может.

Троянский конь – это программа, запускающаяся к выполнению дополнительно к другим программным средствам защиты информации и прочего ПО, необходимого для работы. То есть, троянский конь обходит систему защиты информации путем завуалированного выполнения недокументированных действий. Такой дополнительный командный блок встраивается в безвредную программу, которая затем может распространяться под любым предлогом, а встроенный дополнительный алгоритм начинает выполняться при каких-нибудь заранее спрогнозированных условиях, и даже не будет замечен системой защиты информации, так как защита информации в сетях будет идентифицировать действия алгоритма, работой безвредной, заранее документированной программы. В итоге, запуская такую программу, персонал, обслуживающий информационную систему подвергает опасности компанию. И опять виной всему человеческий фактор, который не может на 100% предупредить ни физическая защита информации, ни любые другие методы и системы защиты информации.

Червь – программа, передающая свое тело или его части по сети. Не оставляет копий на магнитных носителях и использует все возможные механизмы для передачи себя по сети и заражения атакуемого компьютера. Рекомендацией по защите информации в данном случае является внедрение большего числа способов защиты информации, повышение качества программной защиты информации, внедрение аппаратной защиты информации, повышение качества технических средств защиты информации и в целом развитие комплексной защиты информации информационной системы.

Перехватчик паролей – программный комплекс для воровства паролей и учетных данных в процессе обращения пользователей к терминалам аутентификации информационной системы. Программа не пытается обойти службу информационной безопасности напрямую, а лишь совершает попытки завладеть учетными данными, позволяющими не вызывая никаких подозрений совершенно санкционировано проникнуть в информационную систему, минуя службу информационной безопасности, которая ничего не заподозрит. Обычно программа инициирует ошибку при аутентификации, и пользователь, думая, что ошибся при вводе пароля повторяет ввод учетных данных и входит в систему, однако, теперь эти данные становятся известны владельцу перехватчика паролей, и дальнейшее использование старых учетных данных небезопасно.

 «Руткиты» — «трояны-невидимки», которые умеют так хитро маскироваться в системе, что обнаружить их присутствие фактически невозможно. Если подобный «зверь» оказался у вас в системе, то его хозяин сможет работать на вашем компьютере почти как на своем собственном. Существуют и другие виды руткитов, которые могут, к примеру, заблокировать на вашем компьютере запуск определенных программ. В распространении подобной заразы была уличена даже компания Sony: в 2005 году в музыкальном мире разразился грандиозный скандал после того, как на выпущенных этой компанией «защищенных от копирования» CD была найдена программа-руткит.  Она незаметно устанавливалась на компьютер в момент загрузки диска и препятствовала его копированию — а заодно и нарушала работу всей системы.

«Шпионские» программы и «кейлоггеры». эти программы- невидимки отсылают своим разработчикам отчет о вашей деятельности (на какие странички ходите, какие клавиши нажимаете). Первые программы часто вполне легально встраиваются в бесплатные утилиты, а отсылаемая информация особым секретом не является. С помощью кейлоггеров можно украсть все, что угодно — от пароля к почтовому ящику до номера кредитки.

Реклама и спам. Номинально они не относятся к вредоносным программам, но жизнь испортить могут. В особенности сегодня, когда в почте, к примеру, доля спама достигает 80-90 процентов.

Фишинговые сайты. Хитрая хакерская обманка, когда под видом известной, правильной и безопасной странички вам подсовывают другую, внешне на нее похожую, но с воровской начинкой. Это может быть страничка, как две капли воды похожая на сайт банка и или популярного интернет - магазина.

 

Антивирусное ПО и сетевые экраны.

Обеспечение безопасности информационных систем от вирусных атак традиционно заключается в использовании такой службы защиты информации, как антивирусное ПО и сетевые экраны. Эти программные решения позволяют частично решить проблемы защиты информации, но, зная историю защиты информации, легко понять, что установка системы защиты коммерческой информации и системы защиты информации на предприятии на основе антивирусного ПО сегодня еще не решает проблему информационной безопасности общества завтра. Для повышения уровня надежности системы и обеспечения безопасности информационных систем требуется использовать и другие средства информационной безопасности, например, организационная защита информации, программно аппаратная защита информации, аппаратная защита информации.

Windows очень далеко до Linux или MacOS, компьютеры на базе которых, как известно, практически не болеют. Конечно, и у них можно найти слабое местечко, да вот только сделать это куда труднее. А броня Windows, увы, слабее. Шаг первый: по максимуму использовать встроенные защитные механизмы Windows и поддерживать их в состоянии повышенной боеготовности. Шаг второй — усилить защиту за счет привлечения внешних программ. Толковым антивирусным механизмом система по умолчанию не оснащена, однако в нее встроена специальная программа-фильтр, которая позволяет отразить самые опасные (или — лобовые) атаки. Запустите Панель Управления, зайдите в раздел Система и безопасность, а затем щелкните по значку Проверка состояния компьютера и решение проблем.  И, вы откроете Центр Поддержки — панель, заменившую в Windows 7 старый Центр обеспечения безопасности. На открывшейся панели увидите два основных раздела — Безопасность и Обслуживание, нас интересует первый. Щелкните по стрелке справа от меню Безопасность — и вы получите отчет об основных защитных механизмах Windows:

  • Брандмауэр (файрволл) — программа-фильтр для защиты от сетевых атак.
  • Центр обновления Windows — оперативное получение «заплаток» для системы безопасности
  • Защитник Windows — программа для защиты от «шпионов», НЕКОТОРЫХ рекламных модулей, всплывающих окон в браузере. Только не надейтесь, что эта программа разом уберет всю рекламу на веб-страничках и в письмах — она создавалась не для того. А вот самых активных «червяков» и spyware она вроде бы должна перехватывать.
  • User Account Contorl (UAC) — уже знакомая нам система контроля за запуском незнакомых компьютеру программ. Принцип ее работы прост (даже слишком): как только какая-то из программ на компьютере выражает желание запуститься, UAC тут же хватает ее з и обращается к вам с вопросом.

Самый высокий уровень защиты обеспечивают специальные «комбайны», включающие как антивирус, так и сетевую программу-фильтр — файрволл или брандмауэр (это одно и то же). Вариант, который напрашивается сам собой — комплект Kaspersky Internet Security. Они и отечественный, и относительно дорогой (меньше 1000 рублей за годовую подписку). Есть и аналогичные программы от Symantec, Panda и других антивирусных компаний — все они работают примерно одинаково. Проблема лишь в одном: все эти «сторожа» тормозят систему. Сформулировать требования к качественному антивирусу довольно просто. Во-первых, он должен быть «резидентным» — т. е. висеть в памяти постоянно, четко контролируя все запущенные процессы и проверяя каждый открытый файл. Во-вторых, антивирус двадцать первого века должен обезвреживать не только «классические» антивирусы, но и руткиты, шпионские программы, кейлоггеры…. В-третьих, его антивирусные базы должны обновляться. Наконец, в-четвертых: желательно, чтоб работа сторожа не слишком сказывалась на быстродействии системы.

Оба российских антивируса неизменно присутствуют в Top10 самых надежных антивирусных программ этого рейтинга, хотя на первых местах неизменно оказываются продукты, — например, F-Secure Antivirus,  Symantec Antivirus.  «Касперский» — рекордсмен по числу отлавливаемых вирусов и по оперативности обновлений, его интерфейс программы прост и понятен даже для новичка, в то же время настройка здесь сделана куда более гибко, чем в «комбайне» от Symantec. Однако у медали есть и оборотная сторона: Касперский — тяжеловес во всех смыслах этого слова. Скоростной «движок» домашних компьютеров последнего поколения он притормаживает незначительно — особенно последняя, восьмая версия.

Антивирус NOD32 — безусловно, не самый мощный, но зато — самый легкий и быстрый. Систему он практически не нагружает: присутствие NOD32 практически не ощущается даже на слабеньких нетбуках ноутбуках. NOD32 более тридцати раз удостаивался высших наград антивирусного журнала Virus Bulletin, при этом более двадцати раз он оказывался на первом месте в рейтинге. К тому же NOD32 отличается отличной эвристикой (то есть способностью распознавать неизвестные вирусы еще до появления их описания в базе данных). Впрочем, недостатков у NOD32 тоже хватает. Так, он практически беспомощен перед кейлоггерами и рекламным мусором,  поэтому рекомендуется  использовать эту программу только в паре с защищенным браузером типа Opera или Firefox установленным антирекламным модулем AdBlock и блокиратором скриптов NoScript.

Существуют и бесплатные антивирусные программы — например, Avira AntiVir (http://www.free-av.com), AVG Antivirus (http://www.grisoft.com) и Avast (http://www.avast.com). Возможности у этих программ несколько скромнее: в их составе вы не найдете встроенного «фильтра»-файрволла, и с рекламным «мусором» (а чаще всего — и руткитами) они бороться не умеют. Да и обновлять их частенько приходится вручную. Однако от действительно опасных вирусов они защитить способны, к тому же эти программы практически не «тормозят» компьютер. В критических ситуациях, если антивирусной программы нет, сойдут и специальные «сканеры» — их также можно скачать абсолютно бесплатно. Если полноценные антивирусы все время «висят» в оперативной памяти и сканируют любой открытый файл или запущенную программу в «теневом» режиме, то сканеры просто проверяют все содержимое жесткого диска. К сожалению, обновлять антивирусную базу таких сканеров в автоматическом режиме невозможно — она «зашита» в теле программ, зато новые версии самих сканеров появляются довольно часто. Лучшая программа этого класса — Kaspersky Virus Removal Tool (http://www.kaspersky.com).

Наконец, проверить свой компьютер можно и вовсе без дополнительных программ — напрямую через Сеть. Многие антивирусные компании в качестве рекламы размещают на своих сайтах онлайн-сканеры. Но очень осторожно — ибо Сеть наводнена антивирусами-фальшивками. Только в 2008 году было выявлено около 700 подобных программ, жертвой которых пали не меньше 30 миллионов человек!  Самый яркий пример — программа под названием Аntivirus XP 2008, рекламой которой буквально наводнены некоторые сайты— удалить эту заразу едва ли не сложнее, чем настоящий вирус. Поэтому, следует использовать проверенные сервисы от серьезных компаний:

Лаборатория Касперского:

http://www.kaspersky.ru/virusscanner

F-Secure:

http://www.f-secure.com/healthcheck

Во время проверки «онлайн-антивирусом» из Сети на компьютер будет загружено около 15 Мб данных — что,  соответствует объему обычной антивирусной программы.

 

Программы для удаления Spyware и Adware (шпионские и рекламные программы)

Первым делом полностью очистите кэш своего браузера — это можно сделать как его собственными средствами: Сервис/Свойства обозревателя/История просмотра/ Удалить/ Временные файлы Интернета (для Internet Explorer). Также это можно сделать с помощью специальных программ-чистильщиков (CCleaner,  inTools.Net, TuneUp Utilities и других бесплатных и платных программ).  Модулями для борьбы со Spyware и adware оснащены практически все «защитные» пакеты — ESET Nod32 Smart Security, Kaspersky Internet Security. В частности, трудно не отметить способности детища Лаборатории Касперского — хотя KIS все же не дотягивает до звания лучшего борца с рекламно-шпионским мусором. Лучшим же выбором остаются отдельные программы — такие как SpySwipper или Spyware Doctor (http://www.pctools.com). Spyware Doctor — одна из самых удобных и наглядных программ этого класса, ее интерфейс уже при установке автоматически настраивается на русский язык, а работа с ней не создает никаких сложностей. Программа успешно справляются со всеми категориями adware и spyware, включая «звонилки», «кейлоггеры», троянские и следящие программы.

 

Межсетевые экраны (файрволл, брандмауэр)

Межсетевой экран чаще называют в обиходе файрволл. В переводе на русский это слово (или его немецкий эквивалент — «брандмауэр») значит «огненная стена». Название это напоминает о хорошо известном способе тушения лесных и степных пожаров: навстречу надвигающейся огненной лавине пожарные пускают вторую, специально поджигая лес. Две огненные стены встречаются — и в мгновение ока уничтожают друг друга. Точно так же работают и компьютерные файрволлы, защищая наш компьютер от проникновения заразы извне. Непреодолимой стеной встают они на пути разрушающих программ и скриптов, а атаке через порты противостоят, пользуясь оружием самих нападающих — сканируя порты доступа.

Встроенный в Windows 7 «брандмауэр». Доступ к его настройкам можно получить через Панель управления (меню Система и безопасность — Брандмауэр Windows). В него уже встроен список «благонадежных» программ, а он будет при встрече с незнакомой ПО выдает запрос пользователю. Автоматический, «самообучающийся» режим работы брандмауэра-файрволла довольно прост и удобен.   Здесь есть два важных пункта: Проверка состояния брандмауэра (именно здесь живут основные настройки) и Разрешение запуска программы через брандмауэр Windows. Есть «черный» и «белый» списки программ, которые сможете редактировать по своему вкусу и потребностям. Можно удалить отсюда любую программу — и наоборот, добавить новую. Обратите внимания, что свои разрешения можно установить для разных типов сетей: домашней (надежной, в которую входят только ваши компьютеры) или публичной (например, беспроводная сетка где-нибудь в интернет-кафе).. Практика показывает, что большинство из этих программ-«стражей» довольно уязвимы. Чтобы проверить, насколько «дыряв» файрволл, можно воспользоваться услугами утилит Firewall Leakage Tester и Firehole, которые можно найти на большинстве сайтов по компьютерной безопасности. Кроме того, существует и масса специализированных сайтов, которые позволят проверить защищенность компьютера через Интернет. Например, такую услугу предлагает один из разделов корпоративного сайта Symantec (http://www.symantec.com/sabu/nis/nis_pe/). Кроме того, проверить свой файрволл на уязвимость можно по одной из этих ссылок:

http://scan.sygate.com

http://www.auditmypc.com

http://www.pcflank.com/test.htm

http://www.hackerwatch.org/probe/

Однако большинство современных «сторожей», помимо своей прямой обязанности, умеют выполнять и ряд других полезных функций, — например, удалять с сайтов надоедливые рекламные баннеры, предотвращать роение выпадающих окон с той же рекламой.

 

"Оранжевая книга" США

С 1983 по 1988 год Министерство обороны США и Национальный комитет компьютерной безопасности разработали систему стандартов в области компьютерной безопасности, которая включает более десяти документов. Этот список возглавляют "Критерии оценки безопасности компьютерных систем", которые по цвету обложки чаще называют "Оранжевой книгой". В 1995 году Национальный центр компьютерной безопасности США опубликовал "Пояснения к критериям безопасности компьютерных систем", объединившие все имеющиеся на тот момент дополнения и разъяснения к "Оранжевой книге".

В "Оранжевой книге" надежная система определяется как "система, использующая достаточные аппаратные и программные средства, чтобы обеспечить одновременную обработку информации разной степени секретности группой пользователей без нарушения прав доступа".

Надежность систем оценивается по двум основным критериям:

  • Политика безопасности - набор законов, правил и норм поведения, определяющих, как организация обрабатывает, защищает и распространяет информацию. В частности, правила определяют, в каких случаях пользователь имеет право оперировать с определенными наборами данных. Чем надежнее система, тем строже и многообразнее должна быть политика безопасности. В зависимости от сформулированной политики можно выбирать конкретные механизмы, обеспечивающие безопасность системы. Политика безопасности - это активный компонент защиты, включающий в себя анализ возможных угроз и выбор мер противодействия.
  • Гарантированность - мера доверия, которая может быть оказана архитектуре и реализации системы. Гарантированность можно определить тестированием системы в целом и ее компонентов. Гарантированность показывает, насколько корректны механизмы, отвечающие за проведение в жизнь политики безопасности. Гарантированность можно считать пассивным компонентом защиты, надзирающим за самими защитниками.


[1] ГОСТ РФ 240260-80

[2] ГОСТ 34.003 – 90 РФ. Автоматизированные системы. термины и определения.

[3] Micro Instrumentation and Telemetry System