Персональный компьютер и программное обеспечение

Программный принцип работы компьютера

По своему назначению компьютер — это универсальный прибор для работы с информацией. По принципам своего устройства компьютер — это модель человека, работающего с информацией.

Персональный компьютер (ПК) — это компьютер, предназначенный для обслуживания одного рабочего места. По своим характеристикам он может отличаться от больших ЭВМ, но функционально способен выполнять аналогичные операции. По способу эксплуатации различают настольные (desktop), портативные (laptop и notebook) и карманные (palmtop) модели ПК.

Аппаратное обеспечение. Поскольку компьютер предоставляет все три класса информационных методов для работы с данными (аппаратные, программные и естественные), принято говорить о компьютерной системе как о состоящей из аппаратных и программных средств, работающих совместно. Узлы, составляющие аппаратные средства компьютера, называют аппаратным обеспечением. Они выполняют всю физическую работу с данными: регистрацию, хранение, транспортировку и преобразование как по форме, так и по содержанию, а также представляют их в виде, удобном для взаимодействия с естественными информационными методами человека.

Устройство компьютера. Любой компьютер (даже самый большой)состоит из четырех частей:

устройства ввода информации
устройства обработки информации
устройства хранения
устройства вывода информации.

Схема устройства компьютера впервые была предложена в 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом. Дж. фон Нейман сформулировал основные принципы работы ЭВМ, которые во многом сохранились и в современных компьютерах.

Основу компьютеров образует аппаратура, построенная, в основном, с использованием электронных и электромеханических элементов и устройств.

Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ — заранее заданных, четко определённых последовательностей арифметических, логических и других операций

Программа – это указание на последовательность действий (команд), которую должен выполнить компьютер, чтобы решить поставленную задачу обработки информации.

Команда — это описание элементарной операции, которую должен выполнить компьютер.

Этот принцип обеспечивает универсальность использования компьютера.

Та часть процессора, которая выполняет команды, называется арифметико-логическим устройством (АЛУ), а другая его часть, выполняющая функции управления устройствами, называется устройством управления (УУ).

Центральный процессор — это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Функции процессора:

обработка данных по заданной программе путем выполнения арифметических и логических операций;
программное управление работой устройств компьютера.

Функции памяти:

приём информации из других устройств;
запоминание информации;
выдача информации по запросу в другие устройства машины.

Принципы фон-Неймана:

1. Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определённой последовательности.

2. Принцип адресности. Основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору времени доступна любая ячейка.

3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти — число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

Таким образом, компьютер представляет собой совокупность устройств и программ, управляющих работой этих устройств.

Принцип работы компьютера:

· С помощью внешнего устройства в память компьютера вводится программа.

· Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы и организует ее выполнение. Команда может задавать:

выполнение логических или арифметических операций;
чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций;
запись результатов в память;
ввод данных из внешнего устройства в память;
вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Устройство управления начинает выполнение команды из ячейки памяти, которая находится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему необходимо продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в иной ячейки памяти.

Результаты выполнения программы выводятся на внешнее устройство компьютера.

Компьютер переходит в режим ожидания сигнала от внешнего устройства.

Системное ПО.

Главной частью системного программного обеспечения является операционная система.

Операционная система является базовой и необходимой составляющей программного обеспечения компьютера, без нее компьютер не может работать в принципе.

К системному ПО кроме ОС следует отнести и множество программ обслуживающего, сервисного характера. Например, это программы обслуживания дисков (копирование, форматирование), сжатия файлов на дисках (архиваторы) борьбы с компьютерными вирусами и многое другое.

Прикладное программное обеспечение

Для выполнения на компьютере конкретных работ (создания текстов и рисунков, обработки числовых данных и т. д.) требуется прикладное программное обеспечение.

Прикладное программное обеспечение можно разделить на две группы программ: системы программирования и приложения.

Системы программирования являются для программистов-профессионалов инструментами разработки программ на различных языках программирования (Basic, Pascal, С и др.). В настоящее время появились системы визуального программирования (Visual Basic, Borland Delphi и др.), которые позволяют даже начинающему пользователю компьютера создавать несложные программы.

Приложения предоставляют пользователю возможность обрабатывать текстовую, графическую, числовую, аудио- и видеоинформацию, а также работать в компьютерных сетях, не владея программированием.

Практически каждый пользователь компьютера нуждается в приложениях общего назначения, к числу которых относятся: текстовые и графические редакторы, электронные таблицы, системы управления базами данных, а также приложения для создания мультимедиа-презентаций.

В связи со стремительным развитием глобальных и локальных компьютерных сетей все большее значение приобретают различные коммуникационные программы.

Из-за широкого распространения компьютерных вирусов можно отнести к отдельной группе антивирусные программы.

Для профессиональных целей квалифицированными пользователями компьютера используются приложения специального назначения. К ним относятся системы компьютерной графики, системы автоматизированного проектирования (САПР), бухгалтерские программы, компьютерные словари и системы автоматического перевода и др.

Все большее число пользователей применяет обучающие программы для самообразования или в учебном процессе. Прежде всего, это программы обучения иностранным языкам, программы-репетиторы и тесты по различным предметам

Большую пользу приносят различные мультимедиа-приложения (энциклопедии, справочники и т. д.) на лазерных дисках, содержащие огромный объем информации и средства быстрого ее поиска.

Персональный компьютер и программное обеспечение

5. Аппаратное и программное обеспечение

5.1. Базовая аппаратная конфигурация

Состав вычислительной системы называется ее конфигурацией. Разлмчают аппаратную и программную конфигурацию. Современные компьютеры имеют блочную конструкцию. Аппаратную конфигурацию, необходимую для выполнения конкретных видов работ, можно собрать из готовых блоков и гибко изменять по мере необходимости.

Согласование между отдельными блоками выполняется с помощью устройств, называемых аппаратными интерфейсами. Стандарты на аппаратные интерфейсы называются протоколами. Аппаратные интерфейсы разделятся на последовательные и параллельные.

Последовательный интерфейс обеспечивает передачу данных последовательно, бит за битом и поэтому обеспечивают малую скорость передачи данных и имеют простое устройство. Их используют для подключения медленных устройств, а также в тех случаях, когда нет ограничений на продолжительность обмена данными, например, для подключения клавиатуры и мыши. Скорость передачи данных через последовательный интерфейс измеряется в битах в секунду.

В настоящее время базовая аппаратная конфигурация персонального компьютера включает следующие устройства:

системный блок;
монитор;
клавиатуру;
мышь.

Системный блок представляет собой основной узел компьютера, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, внешними или периферийными. Внешними являются большинство устройств ввода-вывода и некоторые устройства, предназначенные для длительного хранения данных.

Внутренними устройствами являются:

материнская плата;
жесткий диск;
дисковод гибких дисков;
дисковод компакт-дисков;
видеокарта;
звуковая карта.

На материнской плате размещены:

микропроцессор;
набор микросхем, управляющих работой внутренних устройств компьютера;
шины – наборы проводников, по которым происходит обмен сигналами между внутренними устройствами компьютера;
постоянное запоминающее устройство – микросхема, предназначенная для хранения некоторых важных данных, когда компьютер выключен;
оперативное запоминающее устройство;
разъемы для подключения дополнительных устройств.

Жесткий диск – основное устройство долговременного хранения больших объемов данных и программ. Это группа соосных дисков, имеющих магнитное покрытие и вращающихся с высокой скоростью. Таким образом, жесткий диск имеет несколько рабочих поверхностей. Над каждой поверхностью располагается головка чтения/записи. При высоких скоростях вращения дисков в зазоре между головкой и поверхностью образуется аэродинамическая подушка, и головка парит над магнитной поверхностью на высоте нескольких тысячных долей миллиметра. При изменении силы тока, протекающего через головку, происходит изменение напряженности магнитного поля в зазоре, что вызывает изменение ориентации ферромагнитных частиц, образующих покрытие диска. При считывании данных намагниченные частицы, проходя вблизи головки, наводят в ней ЭДС самоиндукции. Возникающие при этом электрические сигналы усиливаются и обрабатываются. Управление работой жесткого диска выполняет специальное устройство – контроллер жесткого диска.

Для оперативного переноса небольших объемов данных используются гибкие магнитные диски (дискеты), которые вставляются в специальное устройство – дисковод гибких дисков. Гибкий диск диаметром 3,5 дюйма хранит до 1,44 Мб данных. С нижней стороны гибкий диск имеет центральную втулку, которая захватывается шпинделем дисковода и приводится во вращение. Гибкие диски являются малонадежными носителями информации.

Защита магнитного слоя является особенно актуальной, поэтому сам диск спрятан в прочный пластмассовый корпус, а зона контакта головок с его поверхностью закрыта от случайных прикосновений специальной шторкой, которая автоматически отодвигается только внутри дисковода.

Контроллер дисковода включает и выключает двигатель вращения, проверяет, закрыт или открыт вырез, запрещающий операцию записи, устанавливает на нужное место головку чтения/записи.

Любой магнитный диск первоначально к работе не готов. Для приведения его в рабочее состояние он должен быть отформатирован, т. е. на нем должна быть создана специальная структура. Структура диска – это магнитные концентрические дорожки, разделенные на сектора, помеченные специальными магнитными метками. У жесткого диска есть еще и цилиндры – совокупность дорожек, расположенных друг над другом на всех рабочих поверхностях дисков. Все дорожки магнитных дисков на внешних цилиндрах больше, чем на внутренних. Следовательно, при одинаковом количестве секторов на каждой из них плотность записи на внутренних дорожках должна быть больше, чем внешних.

Количество секторов, емкость сектора, следовательно, и информационная емкость диска зависят от типа дисковода и режима форматирования, а также от качества самих дисков.

Для хранения больших объемов данных, а также мультимедийной информации, используются компакт-диски, которые вставляются в дисковод компакт-дисков CD-ROM. Аббревиатура CD-ROM (Compact Disc Read-Only Memory) переводится как «постоянное запоминающее устройство на основе компакт-диска). Словом «мультимедиа» (наиболее близкий перевод – «много сред») обозначают программы и необходимое оборудование, которые вместе могут работать с различными типами данных (звук, видео, графика).

Принцип действия компакт-диска состоит в изменении отражательной способности поверхности диска под действием лазерного луча. Основным параметром дисководов CD-ROM является скорость чтения данных. Она измеряется в кратных долях. За единицу измерения принята скорость чтения в первых серийных образцах, составлявшая 150 Кбайт/с. Остальные дисководы характеризуются как 2-х скоростные, 4-х скоростные и т.д.

Видеокарта, или видеоадаптер, управляет всеми операциями по выводу изображения на экран монитора. Он выполняется в виде отдельной платы, которая вставляется в один из разъемов на материнской плате.

Звуковая карта выполняет операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние колонки, подключаемые к выходу звуковой карты.

Монитор, или дисплей, является основным периферийным устройством компьютера и служит как для отображения информации, вводимой с помощью клавиатуры и других устройств ввода, так и для выдачи пользователю сообщений, а также для вывода на экран результатов, полученных в ходе выполнения работы. Монитор подключается через видеоадаптер или видеоконтроллер.

В настоящее время существуют мониторы на основе электронно-лучевых трубок и жидкокристаллические мониторы.

Основными техническими характеристиками дисплеев являются:

разрешающая способность, то есть количество высвечиваемых точек по вертикали и горизонтали;
количество воспроизводимых цветов и градаций яркости;
размер экрана.

Клавиатура – клавишное устройство управления персональным компьютером. Служит для ввода алфавитно-цифровых данных, а также команд управления.

Мышь – устройство управления манипуляторного типа. Представляет собой коробочку с двумя или тремя кнопками. Перемещение мыши по плоской поверхности синхронизировано с перемещением указателя мыши по экрану монитора. Перемещения мыши и щелчки ее кнопок являются событиями с точки зрения ее программы-драйвера. Анализируя эти события, драйвер управляет работой компьютера.

5.2. Периферийные устройства

Периферийные устройства подключаются к системному блоку и предназначены для выполнения вспомогательных операций. Благодаря им вычислительная система приобретает гибкость и универсальность. К периферийным устройствам относятся принтеры, сканеры, модемы и некоторые другие устройства, предназначенные для ввода, вывода и хранения данных, а также для обмена данными.

Принтер – это устройство вывода текстовой и графической информации на бумажный носитель. Принтеры бывают матричные, лазерные и струйные.

Матричные принтеры ударяют иголками через красящую ленту по бумаге. Они работают медленно и часто издают много шума. Матричные принтеры бывают только монохромные (двухцветные), в зависимости от цвета красящей ленты.

Струйные принтеры обладают лучшим качеством печати и бесшумны. В этих принтерах из пишущих головок (картриджей) распыляются чернила через специальные форсунки. Такие принтеры могут быть монохромные и цветные.

На лазерном принтере лазер рисует изображение документа, которое должно быть напечатано, на специальном барабане. В тех местах, где лазер облучает барабан, создается электростатический заряд. Затем на барабан напыляется красящий порошок, при этом частицы прилипают к заряженным участкам барабана. На следующем этапе барабан прокатывает лист бумаги, и частицы порошка переносятся на бумагу. Для закрепления изображения лист бумаги проходит через печку, где частицы порошка спекаются, образуя четкое несмываемое изображение.

К основным параметрам лазерных принтеров относятся:

разрешающая способность, измеряемая количеством точек на дюйм;
производительность (количество страниц в минуту);
формат используемой бумаги;
объем собственной оперативной памяти.

Сканер – устройство для ввода графической информации в компьютер. Он создает в компьютере электронную копию изображения, считываемого с бумаги. Изображение может быть текстом, рисунком, фотографией, диаграммой, проекцией трехмерного предмета на плоскость или чем-нибудь другим. Оно считывается многоэлементными фотоприемными линейками с использованием протяженного осветителя и объектива. Число фотоприемников в линейке может составлять 2000 и выше.

Самые простые сканеры – ручные. Пользователь должен сам перемещать сканер по изображению. С их помощью нельзя за один проход ввести полностраничное изображение, поскольку их стандартная ширина – 105 мм. Значительно удобнее планшетный сканер. На него можно положить лист бумаги, который будет автоматически считан.

Для работы со сканером нужно специальное программное обеспечение. Текст, введенный с помощью сканера, представляется в памяти компьютера в виде графического изображения. Для преобразования его в текст используются специальные программные средства распознавания символов.

5.3. Программное обеспечение

Конечная цель выполнения любой программы – управление аппаратными средствами. Программное и аппаратное обеспечение работают в непрерывном взаимодействии, и их разделение является довольно условным.

Между программами, также как между аппаратными средствами, существует взаимосвязь, поэтому можно говорить о программном интерфейсе. Программный интерфейс основан на протоколах – соглашениях о взаимодействии программ. Всё программное обеспечение вычислительной системы разбивается на несколько взаимодействующих между собой уровней (рис. 18). Каждый следующий уровень опирается на программное обеспечение предшествующих уровней. Такое разделение программного обеспечения упрощает разработку и эксплуатацию программ. Каждый следующий уровень повышает функциональные возможности всей системы.

Рис. 18. Уровни программного обеспечения.

Базовый уровень. Это самый низкий уровень программного обеспечения. Базовое программное обеспечение отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами. Обычно оно входит в состав базового оборудования и хранится в специальных микросхемах, называемых постоянными запоминающими устройствами ПЗУ, или ROM (Read Only Memory). Программы и данные записываются в ПЗУ на этапе его изготовления и не могут быть изменены в процессе эксплуатации.

В тех случаях, когда это необходимо, вместо ПЗУ используются перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства ППЗУ, или EPROM (Erasable and Programmable Read Only Memory). Изменение содержимого микросхем памяти в этом случае производится на специальных устройствах – программаторах.

Системный уровень. Этот уровень обеспечивает взаимодействие прочих программ вычислительной системы с программами базового уровня и непосредственно с аппаратным обеспечением. От программ этого уровня во многом зависят эксплуатационные показатели всей вычислительной системы. При подключении к системе нового оборудования на системном уровне должна быть установлена программа, обеспечивающая взаимодействие других программ с этим оборудованием. Конкретные программы, отвечающие за взаимодействие с конкретными устройствами, называются драйверами устройств.

Специальный класс программ системного уровня отвечает за взаимодействие с пользователем. Они обеспечивают возможность ввода данных в вычислительную систему, управление её работой и вывод результатов в удобной форме. Эти программы называются пользовательским интерфейсом. От них зависит удобство работы с компьютером и производительность труда на рабочем месте.

Программы системного уровня образуют ядро операционной системы – совокупности программ, управляющих работой компьютера. Программы более высокого уровня могут быть установлены на компьютере только при наличии на нём системного программного обеспечения. Наличие ядра операционной системы – необходимое условие работы человека на компьютере.

Служебный уровень. Программное обеспечение этого уровня взаимодействует как с программным обеспечением базового уровня, так и с программным обеспечением системного уровня. Служебные программы называются утилитами. Они предназначены для автоматизации работ по проверке, наладке и настройке вычислительной системы, а также для расширения и улучшения функций системных программ.

Прикладной уровень. Программное обеспечение этого уровня представляет собой комплекс прикладных программ, с помощью которых на данном рабочем месте выполняются конкретные работы. Диапазон возможных приложений вычислительной системы зависит от наличия прикладных программ для разных видов деятельности. Широта функциональных возможностей компьютера напрямую зависит от типа используемой операционной системы.

5.4. Классификация служебных программных средств

Диспетчеры файлов (файловые менеджеры). Выполняют операции по обслуживанию файловой структуры: кодирование, перемещение и переименование файлов, создание каталогов, удаление файлов и каталогов, поиск файлов и пр. Они обычно входят в состав программ системного уровня и устанавливаются вместе с операционной системой.

Средства сжатия данных (архиваторы). Предназначены для создания архивов. Архивирование данных упрощает их хранение и повышает эффективность использования запоминающих устройств, так как архивные файлы имеют повышенную плотность записи данных. Архиваторы используют также для создания резервных копий файлов.

Средства просмотра и воспроизведения. Обычно для работы с файлами данных их необходимо загрузить в программу, с помощью которой они были созданы. Это дает возможность вносить в них изменения. Когда требуется только просмотр без редактирования, удобнее пользоваться более простыми средствами. Когда речь идёт о звукозаписи или видеозаписи, применяют термин воспроизведение.

Средства диагностики. Выполняют диагностику программ и аппаратного обеспечения и выдают результаты в удобном и наглядном виде. В их состав, прежде всего, включаются средства проверки надежности работы жестких дисков. Они включают в себя средства проверки целостности файловой системы и средства физической диагностики поверхности диска.

Средства контроля. Обычно их называют мониторами. Они позволяют следить за процессами, происходящими в компьютере. Возможны два подхода:

наблюдение в реальном времени;
контроль с записью результатов в специальном протокольном файле.

Мониторы установки следят за состоянием и изменением окружающей программной среды, отслеживают и протоколируют образование новых связей и позволяют восстанавливать связи, утраченные в результате удаления ранее установленных программ.

Средства коммуникации. Позволяют устанавливать соединения с удаленными компьютерами, обслуживать передачу сообщений по электронной почте, пересылку факсимильных сообщений и пр., работу в компьютерных сетях.

Средства обеспечения компьютерной безопасности. Обеспечивают защиту данных от повреждений, а также от несанкционированного доступа, просмотра и изменения данных. В качестве главного средства защиты используют служебные программы резервного копирования. В качестве средств активной защиты применяются антивирусные программы. Для защиты данных от несанкционированного доступа используются специальные системы, основанные на шифровании данных.

5.5. Классификация прикладных программных средств

Текстовые редакторы. Их основные функции – ввод и редактирование данных.

Текстовые процессоры. Позволяют не только вводить и редактировать текст, но и форматировать его, то есть оформлять. К основным средствам текстовых процессоров относятся средства создания документов, содержащих кроме текста также рисунки, таблицы, графики и другие объекты, часть которых может быть создана другими прикладными программами. При этом для форматирования печатных и электронных документов используются различные методы.

Графические редакторы. Предназначены для создания и обработки графических изображений. Различают растровые редакторы, векторные редакторы и программные средства для создания и обработки трехмерной графики.

Растровые редакторы. Представляют графический объект в виде комбинации точек, имеющих цвет и яркость. Такой подход эффективен, когда графическое изображение имеет много полутонов и информация о цвете важнее информации о форме. Это характерно для фотографических и полиграфических изображений. В большинстве случаев рисунок создается обычными средствами, а затем вводится в компьютер с помощью сканера. С помощью растрового редактора создаются специальные эффекты.

В векторном редакторе элементом изображения является линия, а не точка. Это характерно для чертежно-графических работ, когда форма линии важнее информации о цвете. Каждая линия рассматривается как кривая третьего порядка и представляется математической формулой. Такое представление более компактно, чем растровое. Из элементарных объектов создаются геометрические фигуры. Векторные редакторы удобны для создания изображений, но практически не используются для обработки готовых рисунков.

Системы управления базами данных. Базами данных называются большие массивы данных, организованных в табличные структуры. Основные функции систем управления базами данных:

создание пустой структуры базы данных;
предоставление средств для её заполнения и импорта данных из таблиц другой базы;
обеспечение доступа к данным, а также средств поиска и фильтрации.

Системы управления базами данных предоставляют возможность анализа хранимых данных и их обработки. К современным системам управления базами данных предъявляются также требования возможности работы с удаленными и распределенными информационными ресурсами, находящимися на компьютерах, соединенных в компьютерные сети.

Табличные процессоры (электронные таблицы). Предоставляют средства хранения данных различных типов в табличной форме и способы их обработки. Основное свойство электронных таблиц, превратившее их в удобное средство автоматизации вычислений с большими объемами данных, заключается в том, что при изменении содержимого любых ячеек таблицы может происходить автоматическое изменение содержимого всех других ячеек, связанных с ними математическими или логическими выражениями.