Информационные основы ПО ЭВМ

Геоинформационные системы. Геоинформационные системы (ГИС) хранят данные, привязанные к географической карте местности (района, города, страны). Например, муниципальная ГИС содержит в своих базах данных информацию, необходимую для всех служб, поддерживающих жизнедеятельность города: городских властей, энергетиков, связистов, медицинских служб, милиции, пожарной службы и пр. Вся эта разнородная информация привязана к карте города. Использование ГИС помогает соответствующим службам оперативно реагировать на чрезвычайные ситуации: стихийные бедствия, экологические катастрофы, технологические аварии и пр.

1.1.4.4.ИКТ в образовании.

В наше время от уровня образованности людей существенно  зависит уровень развития страны, качество жизни ее населения. Требования к качеству образования постоянно  растут. Старые, традиционные методы обучения уже не успевают за этими требованиями. Возникает очевидное противоречие. Использование ИКТ в образовании может помочь в разрешении этого противоречия.

Технологии обучения мало изменились за последние 100 лет. Пока, в основном, действует метод коллективного обучения. Не всегда такой способ обучения дает высокие результаты. Причина заключается в разном уровне способностей разных учеников. Учителя хорошо понимают, что необходим индивидуальный подход в работе с учащимися. Решению этой проблемы может помочь использование в процессе обучения специальных программ (обучающих, контролирующих, тренажерных и т. д.), входящих в состав электронного учебника[9; c.57]

Еще одна проблема системы  образования связана с неравными  возможностями получения качественного  образования из-за географической отдаленности от образовательных центров. Например, для жителя Якутии проблематично получить диплом престижного московского вуза. В решении этой проблемы на помощь приходит новая форма обучения — дистанционное образование, реализация которого стала возможна благодаря развитию компьютерных сетей.

Дистанционное образование  приходит на смену старой форме заочного образования, при которой весь информационный обмен происходил в письменном виде через почтовую связь. Сетевое дистанционное образование позволяет вести обучение в режиме реального времени. Обучаемые могут не только читать учебный материал, но и видеть и слышать лекции крупных ученых, сдавать экзамены в прямом контакте с экзаменатором.

1.2.Принцип программного управления

Память машины можно представлять себе как длинную страницу, состоящую из отдельных строк. Каждая такая строка называется ячейкой памяти, и в свою очередь, разделяется на разряды. Содержимым любого разряда может быть либо 0, либо 1. Значит, в любую ячейку памяти записывается некоторый набор нулей и единиц машинное слово. Все ячейки памяти занумерованы. Номер ячейки называют её адресом.

Наличие у каждой ячейки адреса позволяет  отличать ячейки друг от друга, обращаться к любой ячейке, чтобы записать в неё новую информацию или извлечь ту информацию, которая в ней хранится.

Все ЭВМ работают в принципе одинаково. Когда бы вы ни заглянули в память ЭВМ, в её ячейках хранятся наборы нулей и единиц. ЭВМ выполняет  без участия человека не только одну команду, но и длинную последовательность команд (программу) . В этом и состоит один из основных принципов работы ЭВМ — принцип программного управления.[10; с.24 ]

Каждая команда кодируется некоторой  последовательностью из нулей и  единиц и помещается, как и число, в одной ячейке оперативной памяти. Команда состоит из двух частей: кодовой и адресной. Кодовая часть команды указывает, какое действие должно быть выполнено, а адресная определяет расположение в памяти компьютера исходных данных и результата.

Общий вид команды машины может быть таким: К А1 А2 А3, где К — код действия, а А1, А2, А3 — адреса ячеек памяти (на каждый адрес отводится по три разряда) . Для выполнения команд служит специальное арифметико-логическое устройство (АЛУ) . Оно состоит из двух особых ячеек - счётчика команд и регистра команд, а также сумматора. При выполнении ЭВМ программы в счётчик команд последовательно заносятся номера ячеек, где содержатся исполняемые команды, сами команды помещаются в регистр команд, а в сумматоре происходят арифметические действия. Сумматор также имеет свою ячейку — для промежуточных результатов вычислений. Отметим, что команды современных ЭВМ могут занимать несколько ячеек памяти.

Программа состоит из набора команд, выполняющихся  процессором автоматически в  определенной последовательности. Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти[11; с.64]. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного перехода, которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп». Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

Действия, выполняемые современными вычислительными машинами, определяются командами программы. Такая организация работы машины называется принципом программного управления. Согласно этому принципу никакая вычислительная машина сама задач не решает: она лишь выполняет действия, заложенные разработчиками программ. Для современных систем обработки информации характерна многоуровневая, т.е. иерархическая организация программного управления. Более низким уровнем в этой организации является микропрограммирование. Микропрограммирование – это упорядоченный метод кодового управления отдельными элементами машины; такими как: триггеры, транзисторы, вентили, интегральные схемы и т.п., — для выполнения элементарных операций. Элементарные операции, происходящие в устройстве машины, называются микрооперациями. К ним относятся: передача информации с одного регистра на другой; выполнение одноразрядных сдвигов в пределах регистра и др. Из этих микроопераций складываются уже более крупные операции, называемые микрокомандами. Последовательность микрокоманд, управляющих выполнением более крупной по логическому содержанию операцией, называется микропрограммой. Заменяя одну микропрограмму другой, можно менять состав операций, выполняемых машиной. Микропрограммы обычно располагаются в постоянной памяти машины, в которой информация запаивается заводом-изготовителем машины. В такую память пользователь ничего записать не может, и стереть тоже ничего не может, из нее можно только считывать информацию. В последнее время появились и полупостоянные запоминающие микропрограммные устройства, в которые можно специальными техническими средствами или специальными программами записать новую информацию[12; с.56].

Следующий, более высокий уровень  в иерархии программного управления – это программирование на машинном языке, т.е. в кодах машины, представляющих собой набор закодированных элементарных операций машины, таких как: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, ввод-вывод информации и др. Язык машины неудобен и сложен для человека. Он очень сильно отличается не только от привычного человеческого языка, но и от общепринятой математической символики, используемой для записи формул. Кроме того, различные машины имеют свой набор элементарных операций, а, следовательно, и свой машинный язык. А значит программа, написанная на машинном языке одной машины, не может выполняться машиной другого типа. Программирование в машинных кодах достаточно трудоемкий процесс. Однако, именно с него начиналась эра программирования. Облегчать этот процесс стали макрокоманды, каждая из которых соответствует определенной совокупности машинных команд. Однако макрокоманды ориентированы по-прежнему в большей степени на машины, чем на пользователя. Они также привязаны к особенностям конкретной машины.

1.3.Представление информации в ЭВМ

Для представления информации в  памяти ЭВМ (как числовой, так и  не числовой) используется двоичный способ кодирования[13; с.74].

Элементарная  ячейка памяти ЭВМ имеет длину 8 бит (байт). Каждый байт имеет свой номер (его называют адресом). Наибольшую последовательность бит, которую ЭВМ может обрабатывать как единое целое, называют машинным словом. Длина машинного слова зависит от разрядности процессора и может быть равной 16, 32, 64 битам и т.д.

Кодирование символов. Для кодирования символов достаточно одного байта. При этом можно представить 256 символов (с десятичными кодами от 0 до 255). Набор символов персональных ЭВМ, совместимых с IBM PC, чаще всего является расширением кода ASCII (American Standard Codefor Information Interchange — стандартный американский код для обмена информацией). В настоящее время используются и двухбайтовые представления символов.[13;c. 48]

Двоично-десятичное кодирование. В  некоторых случаях при представлении  чисел в памяти ЭВМ используется смешанная двоично-десятичная "система  счисления", где для хранения каждого  десятичного знака нужен полубайт (4 бита) и десятичные цифры от 0 до 9 представляются соответствующими двоичными числами от 0000 до 1001. Например, упакованный десятичный формат, предназначенный для хранения целых чисел с 18-ю значащими цифрами и занимающий в памяти 10 байт (старший из которых знаковый), использует именно этот вариант.

Представление целых чисел в  дополнительном коде. Другой способ представления  целых чисел — дополнительный код. Диапазон значений величин зависит от количества бит памяти, отведенных для их хранении   [14; с.73]. Например, величины типа Integer (все названия типов данных здесь и ниже представлены в том виде, в каком они приняты в языке программирования TurboPascal. В других языках такие типы данных тоже есть, но могут иметь другие названия) лежат в диапазоне от -32768 (-215) до 32767 (215 - 1) и для их хранения отводится 2 байта (16 бит); типа LongInt — в диапазоне от -231 до 231 - 1 и размещаются в 4 байтах (32 бита); типа Word — в диапазоне от 0 до 65535 (216 - 1) (используется 2 байта) и т.д.

Кодирование текста. Кодирование данных в ЭВМ. Кодирование текстовой информации. Множество символов, используемых при записи текста, называется алфавитом. Количество символов в алфавите называется его мощностью. Формула, связывающая информационный вес символа алфавита i (бит) и мощность алфавита N: 2i = N.

Принцип последовательного кодирования алфавита заключается в том, что в кодовой таблице латинские буквы (прописные и строчные) располагаются в алфавитном порядке. Расположение цифр также упорядочено по возрастанию значений. Международным стандартом на персональных компьютерах является таблица кодировки ASCII (American Standard Codefor Information Interchange) мощностью 256 символов.

Представление графической информации в ЭВМ. Как и любая другая информация в ЭВМ, графические изображения хранятся, обрабатываются и передаются по линиям связи в закодированном виде — т.е. в виде большого числа бит — нулей и единиц. Существует большое число разнообразных программ, работающих с графическими изображениями. В них используются самые разные графические форматы — т.е. способы кодирования графической информации. Расширения имен файлов, содержащих изображение, указывают на то, какой формат в нем использован, а значит какими программами его можно просмотреть, изменить (отредактировать), распечатать.

Несмотря на все это разнообразие существует только два принципиально разных подхода к тому, каким образом можно представить изображение в виде нулей и единиц (оцифровать изображение).

При использовании растровой графики  с помощью определенного числа  бит кодируется цвет каждого мельчайшего  элемента изображения – пиксела. Изображение представляется в виде большого числа мелких точек, называемых пикселами. Каждый из них имеет свой цвет, в результате чего и образуется рисунок, аналогично тому, как из большого числа камней или стекол создается мозаика или витраж, из отдельных стежков- вышивка, а из отдельных гранул серебра- фотография. При использовании растрового способа в ЭВМ под каждый пиксел отводится определенное число бит, называемое битовой глубиной. Каждому цвету соответствует определенный двоичный код (т.е. код из нулей и единиц). Основным недостатком растровой графики является большой объем памяти, требуемый для хранения изображения. Это объясняется тем, что нужно запомнить цвет каждого пиксела, общее число которых может быть очень большим. Например, одна фотография среднего размера в памяти компьютера занимает несколько Мегабайт, т.е. столько же, сколько несколько сотен (а то и тысяч) страниц текста. [15; с.67].

При использовании векторной графики  в памяти ЭВМ сохраняется математическое описание каждого графического примитива – геометрического объекта ( например, отрезка, окружности, прямоугольника и т. п.), из которых формируется изображение. В частности, для отрисовки окружности достаточно запомнить положение ее центра, радиус, толщину и цвет линии. По этим данным соответствующие программы построят нужную фигуру на экране дисплея. Понятно, что такое описание изображения требует намного меньше памяти (в 10 - 1000 раз) чем в растровой графике, поскольку обходится без запоминания цвета каждой точки рисунка. Основным недостатком векторной графики является невозможность работы с высококачественными изображениями, фотографиями и фильмами. [16; с.49]

 Природа избегает прямых  линий, правильных окружностей  и дуг. К сожалению, именно  с их помощью (поскольку эти фигуры можно описать средствами математики, точнее- аналитической геометрии) и формируется изображение при использовании векторной графики. Попробуйте описать с помощью математических формул, картины И.Е.Репина или Рафаэля! (Но не "Черный квадрат" К.Малевича!) Поэтому основной сферой применения векторной графики является отрисовка чертежей, схем, диаграмм и т. п.

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ  ПО ЭВМ

2.1. Анализ состояния ПО

Чтобы описать состояние ПО ЭВМ с начала его создания вернемся к поколениям ЭВМ, так как программное обеспечение – неотъемлемая часть компьютерной системы. Оно является логическим продолжением технических средств. Сфера применения конкретного компьютера определяется созданным для него ПО. Вспомним I-ое поколение компьютеров. Появилось в связи с массовым вычислением задач связанных с обороной (ядерное оружие и т.п.). Для ввода/вывода и в качестве запоминающего устройства использовались перфоленты. Строки вручную вводились в оперативную память и затем выполнялись.[17; с.38]

 В чем заключались проблемы? В случае возникновения ситуаций типа деления на нуль компьютер останавливался. Изменять программу также было очень тяжело, так как машинные коды завязаны на адресацию, следовательно, для того, чтобы редактировать, приходилось сдвигать всю программу. Чтобы не сдвигать, делали безусловный переход на конец программы, затем возвращались обратно.

Что появилось: однопользовательский, персональный режим; зарождение класса сервисных, управляющих программ; зарождение языков программирования.

Компьютеры II-го поколения уже стали более распространенными и начали применяться в более привычных для нас сферах работы: управление предприятиями, сбор информации и т.д. Строились они на новой элементной базе на полупроводниковых приборах — это диоды и транзисторы. Конец 50-х 2-я половина 60-х годов. Размер компьютеров второго поколения на порядки уменьшился по сравнением с компьютерами первого поколения, уменьшилась энергопотребление, уменьшились габариты, увеличилась скорость

Стало возможно создавать более сложные по архитектуре системы. Уменьшились размеры, следовательно, проводники стали короче, следовательно, время работы уменьшилось и тепла стало выделяться меньше.

Нововведения: пакетная обработка заданий ; мультипрограммирование; языки управления заданиями ; файловые системы ; виртуальные устройства.

Проблема III-его поколения заключалась в результате идентичные устройства от разных производителей не взаимозаменялись.