Билет № 13

Написать программу для вычисления количества перестановок (формулируется как комбинаторная задача, решаемая в общем случае). Произвести ввод и отладку программы. Проанализировать полученный результат.

Архитектура современных компьютеров. Основные устройства компьютера, их функции и взаимосвязь. Магистрально-модульный принцип построения компьютера. Безопасность, гигиена, эргономика, ресурсосбережение, технологические требования при эксплуатации компьютерного рабочего места. Комплектация компьютерного рабочего места в соответствии с целями его использования.

Первая половина рассматриваемого вопроса во многом продолжает начатое в билете № 9 обсуждение типовых логических устройств компьютера, но теперь речь пойдет о самом высоком логическом уровне — уровне архитектуры.

Понятие архитектуры применительно к ЭВМ очень четко и с указанием истории происхождения термина сформулировал Э.Таненбаум, который в своей известной книге [1] писал: “К концу 50-х годов компания IBM, которая лидировала тогда на компьютерном рынке, решила, что производство семейства компьютеров, каждый из которых выполняет одни и те же команды, имеет много преимуществ и для самой компании, и для покупателей. Чтобы описать этот уровень совместимости, компания IBM ввела термин архитектура. Новое семейство компьютеров должно было иметь одну общую архитектуру и много разных разработок, различающихся по цене и скорости, которые могли выполнять одну и ту же программу”. Проще говоря, под архитектурой понимается все то общее в устройстве машин, что позволяет использовать на них одно и то же программное обеспечение.

Итак, целью строгой стандартизации основополагающих принципов служит вполне понятное прагматическое стремление: все машины одного семейства независимо от их конкретного устройства и фирмы-производителя должны быть способны выполнять одну и ту же программу.

Примечание. На практике из-за постоянного роста мощности вычислительной техники чаще используется менее жесткий принцип совместимости снизу вверх: все программы данной модели выполнимы на более старших, но не обязательно наоборот.

Семейство ЭВМ — это группа моделей машин, программно совместимых между собой. В пределах одного семейства основные принципы функционирования всех ЭВМ одинаковы, хотя отдельные модели могут существенно различаться по элементной базе, конкретной конструкции устройств, производительности, объему памяти, стоимости и другим параметрам. Особо подчеркнем, что к архитектуре относится именно наиболее общее логическое построение вычислительных средств, без учета конкретных деталей их реализации. Вопросы физического построения образуют отдельный круг проблем, который, согласно [2], принято определять понятием организация. Архитектура и организация — это две дополняющие друг друга стороны описания ЭВМ.

Помимо уже упомянутого семейства машин фирмы IBM третьего поколения, в историю вычислительной техники также вошли различные программно совместимые модификации компьютеров PDP, выпущенные фирмой DEC1, и семейство MSX-машин, к которому принадлежала некогда широко распространенная в нашей системе образования “Yamaha”. Современным примером общей архитектуры вычислительной техники служат заполнившие мир IBM-совместимые персональные компьютеры, успешно производимые во множестве стран.

Из сказанного выше с очевидностью следует, что с точки зрения архитектуры важны не все сведения о строении ЭВМ, а только те, которые могут хоть как-то использоваться при программировании 2: то, к чему программист не имеет доступа, не в состоянии привести к неправильному исполнению команд, из которых составлена программа. Например, математический сопроцессор исполняет команды программы, связанные с обработкой вещественных чисел; следовательно, независимо от того, представлен ли он отдельной микросхемой или находится внутри чипа центрального процессора (начиная с Intel 80486), сопроцессор может рассматриваться как составная часть архитектуры IBM PC. Наоборот, кэш-память “невидима” для программы: у нее нет адреса, по которому программист мог бы к ней обращаться, — значит, кэш, строго говоря, к архитектуре не относится. Последнее утверждение можно проверить экспериментально: отключите кэш в установках BIOS, и все программы будут работать, хотя и заметно медленнее. Следовательно, даже сам факт наличия или отсутствия кэш-памяти не влияет на работоспособность программ, а значит, в архитектуру она не входит.

Что же обычно относят к архитектуре ЭВМ? Не претендуя на полный охват, назовем наиболее важное: методы выполнения команд программы и влияние анализа тех или иных условий на порядок их выполнения, способы доступа к памяти и внешним устройствам, возможности изменения конфигурации оборудования, принципы построения системы команд и их кодирования, форматы данных и особенности их машинного представления.

С точки зрения вопроса билета нас будет интересовать лишь некоторая небольшая часть из перечисленного списка относящихся к архитектуре проблем, а именно те, которые связаны с функциями и взаимодействием основных логических узлов компьютера. Ознакомимся с указанным материалом подробнее.

Несмотря на огромное разнообразие вычислительной техники и ее необычайно быстрое совершенствование, фундаментальные принципы устройства машин, являющиеся составной частью архитектуры, во многом остаются неизменными. В частности, начиная с самых первых поколений, любая ЭВМ состоит из следующих основных устройств: процессор, память (внутренняя и внешняя) и устройства ввода и вывода информации. Рассмотрим более подробно назначение каждого из них.

Процессор является главным устройством компьютера, в котором собственно и происходит обработка всех видов информации. Другой важной функцией процессора является обеспечение согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера. Соответственно названным функциям, наиболее важными частями процессора являются арифметико-логическое устройство АЛУ и устройство управления УУ.

Каждый процессор способен выполнять вполне определенный набор универсальных инструкций, называемых чаще всего машинными командами. Каков именно этот набор, определяется устройством конкретного типа процессора, но он не очень велик и в основном аналогичен даже для различных семейств процессоров. Работа ЭВМ состоит в выполнении последовательности таких команд, подготовленных в виде программы. Процессор способен организовать считывание очередной команды, ее анализ и выполнение, а также при необходимости принять данные или отправить результаты их обработки на требуемое устройство. Выбрать, какую инструкцию программы исполнять следующей, также должен сам процессор, причем результат этого выбора может зависеть от обрабатываемой в данный момент информации (условные переходы).

Хотя внутри процессора всегда имеются специальные ячейки (регистры) для оперативного хранения обрабатываемых данных и некоторой служебной информации, в нем сознательно не предусмотрено место для хранения программы. Для этой важной цели в компьютере служит другое устройство — память. Память предназначена для хранения как данных, так и программ их обработки: согласно фундаментальному принципу хранимой программы [3], для обоих типов информации используется единое устройство.

Начиная с самых первых ЭВМ, память стали делить на внутреннюю и внешнюю. Исторически это действительно было связано с размещением внутри или вне процессорного шкафа. Однако с уменьшением размеров блоков машин внутрь основного процессорного корпуса удавалось поместить все большее количество устройств, и первоначальный непосредственный смысл данного деления постепенно утратился. Тем не менее терминология сохранилась.

Под внутренней памятью современного компьютера принято понимать быстродействующую электронную память, расположенную на его системной плате. В настоящее время такая память изготавливается на базе самых современных полупроводниковых технологий (раньше использовались магнитные устройства3 на основе ферритовых сердечников — лишнее свидетельство тому, что конкретные физические принципы значения не имеют).

Наиболее существенная часть внутренней памяти называется ОЗУ — оперативное запоминающее устройство. Его главное назначение состоит в том, чтобы хранить данные и программы для решаемых в текущий момент задач. Упомянем также о постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ), в котором, в частности, хранится информация, необходимая для первоначальной загрузки компьютера в момент включения питания (для лучшего понимания можно указать на некоторую аналогию между информацией в ПЗУ и “врожденными” безусловными рефлексами у живых существ). Раньше содержимое ПЗУ раз и навсегда формировалось на заводе, теперь же современные технологии позволяют в случае необходимости аккуратно обновлять его, даже не извлекая из компьютерной платы.

Внешняя память реализуется в виде довольно разнообразных устройств длительного хранения информации и обычно конструктивно оформляется как самостоятельные блоки. Сюда прежде всего следует отнести накопители на гибких и жестких магнитных дисках (последние пользователи часто жаргонно именуют винчестерами), а также оптические дисководы (устройства для работы с CD- и DVD-дисками). В конструкции всех перечисленных устройств внешней памяти имеются механически движущиеся части, поэтому скорость их работы существенно ниже, чем у полностью электронной внутренней памяти. Тем не менее внешняя память позволяет сохранить огромные объемы информации с целью последующего использования. Подчеркнем, что информация во внешней памяти прежде всего предназначена для самого компьютера и поэтому хранится в удобной ему форме; человек без использования машины не в состоянии, например, даже отдаленно представить содержимое немаркированной дискеты или диска CD-ROM.

В последнее время все более широкое распространение получают накопители на основе флэш-памяти. Данная разновидность памяти способна сохранять информацию на базе полупроводниковых технологий и не имеет движущихся частей. Все чаще и чаще высказывается мнение, что флэш-память вскоре существенно потеснит дисковые накопители информации.

Современные программные системы способны объединять внутреннюю и внешнюю память в единое целое, причем так, чтобы наиболее редко используемая информация попадала в более медленно работающую внешнюю память. Такой метод носит название виртуальной памяти и дает возможность очень существенно расширить объем обрабатываемой с помощью компьютера информации.

Если процессор дополнить памятью, то такая автономная система уже может быть работоспособной. Ее существенным недостатком является невозможность узнать что-либо о происходящем внутри такой системы. Для получения информации о результатах необходимо дополнить компьютер устройствами вывода, которые позволяют представить их в доступной человеческому восприятию форме. Наиболее распространенным устройством вывода является дисплей, способный быстро и оперативно отображать на своем экране как текстовую, так и графическую информацию. Для того чтобы получить копию результатов на бумаге, используют печатающее устройство, или принтер4.

Наконец, поскольку пользователю часто требуется вводить в компьютерную систему новую информацию, необходимы еще и устройства ввода. Простейшим устройством ввода является клавиатура. Широкое распространение программ с графическим интерфейсом способствовало популярности другого устройства ввода — манипулятора “мышь”. Наконец, очень эффективным современным устройством для автоматического ввода информации в компьютер является сканер, позволяющий не просто преобразовать картинку с листа бумаги в графическое компьютерное изображение, но и с помощью специального программного обеспечения распознать в прочитанном изображении текст и сохранить его в виде, пригодном для редактирования в обычном текстовом редакторе.

Теперь, когда мы знаем основные устройства компьютера и их функции, осталось выяснить, как они взаимодействуют между собой. Для этого обратимся к упрощенной функциональной схеме компьютера, приведенной на рисунке.

Для связи основных устройств компьютера между собой используется специальная информационная магистраль, чаще называемая инженерами шиной. Шина состоит из трех следующих частей:

· шина адреса, на которой устанавливается адрес (номер) требуемой ячейки памяти или устройства, с которым будет происходить обмен информацией;

· шина данных, по которой собственно и будет передана необходимая информация; и, наконец,

· шина управления, регулирующая этот процесс (например, один из сигналов на этой шине позволяет компьютеру различать между собой адреса памяти и устройств ввода/вывода).

Рассмотрим в качестве примера, как процессор читает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина в данный момент свободна, процессор помещает на шину адреса требуемый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция — чтение, устройство — ОЗУ и т.п.) на шину управления. Теперь ему остается только ожидать ответа от ОЗУ. Последнее, “увидев” на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, извлекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных, оповещая процессор по шине управления о готовности данных. Разумеется, реальный процесс значительно подробнее и допускает различные вариации и усовершенствования, но нас сейчас не интересуют технические детали.

В современных компьютерах обмен по шине в некоторых случаях может происходить и без непосредственного участия центрального процессора, например, между устройством ввода и внутренней памятью. В этом случае руководство процессом обмена берет на себя специализированная интеллектуальная микросхема — контроллер. Типичными примерами организации прямого доступа к памяти могут служить чтение файла с диска или вывод потока данных из ОЗУ на звуковую карту.

Подчеркнем, что описанная нами учебная функциональная схема на практике значительно сложнее. Современный компьютер может содержать несколько согласованно работающих процессоров, прямые информационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих магистралей и т.д. Тем не менее, если понимать наиболее общую схему, то разобраться в конкретной компьютерной системе будет уже легче.

Магистральная структура позволяет легко подсоединять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя. Благодаря ей удается скомпоновать из стандартных блоков (модулей) практически любую индивидуальную конфигурацию компьютера. Описанный метод реализации современных вычислительных устройств часто называют магистрально-модульным принципом построениякомпьютера.

Разобравшись с устройством компьютера и его составляющими, перейдем ко второй половине вопроса и поговорим о требованиях, которые предъявляются к организации компьютерного рабочего места. Хотя школьник в большинстве случаев использует уже подготовленное для него место, а ответственность за правильность оборудования этого места несут взрослые (выражаясь официальным языком, организации, которые оборудуют и эксплуатируют помещения с компьютерами), некоторые знания в рассматриваемой области ученику тем не менее необходимы. Во-первых, он как минимум имеет право голоса при организации компьютерного рабочего места у себя дома. А во-вторых, знание наиболее важных санитарно-гигиенических сведений позволит ему проявить разумную осторожность и сберечь свое здоровье при работе в компьютерном классе, содержащем явные нарушения известных ему норм.

Компьютер не является объектом повышенной опасности, но определенные негативные воздействия на человека в принципе в состоянии оказать. Любой, кто собирается систематически использовать компьютер, должен быть о них предупрежден. Ключевыми требованиями (их часто называют эргономическими) здесь должны стать безопасность, эффективность и комфорт.

Компьютер — это электрическое устройство, которое питается из обычной сетевой розетки. Поэтому все правила безопасной эксплуатации бытовых электрических приборов относятся и к нему. Особую осторожность следует проявлять с кабелем, подводящим сетевое напряжение, и его вилкой. Не рекомендуется без крайней необходимости открывать компьютер или его устройства, тем более при подключенном напряжении. Все подсоединения разъемов внешних устройств (важное исключение составляют так называемые “USB-устройства”, которые специально рассчитаны на безопасное подключение в процессе работы) производятся только при отключенном питании.

С другой стороны, из сказанного выше вовсе не следует, что компьютер при любом коротком перерыве надо выключать. Необходимо учитывать, что электрические приборы (даже самая обыкновенная электрическая лампочка) обычно испытывают максимальные перегрузки именно в момент включения. Следовательно, если вы через некоторое время собираетесь вернуться к работе, не стоит лишний раз выключать и снова включать компьютер. Тем более что в современных моделях предусмотрен специальный ждущий (“спящий”) режим, который автоматически включается, если компьютер долго не получает никаких воздействий от устройств ввода. Такой режим энергосбережения особенно актуален в переносных компьютерах, где потребляемая мощность определяет время разрядки источника питания, а значит, и автономной работы.

Помимо описанной потенциальной опасности (пусть и небольшой) получить поражение электрическим током, при работе с компьютером имеются и другие неблагоприятные факторы. “Борьбе” с ними посвящен важный для эксплуатации компьютеров документ — Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 “Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы” [4]. Эти правила определяют санитарно-эпидемиологические требования к достаточно широкому кругу работ с компьютерами. Сюда входит не только интересующая нас в связи с вопросом билета организация рабочих мест с персональными ЭВМ (ПЭВМ), но и многие другие процессы. В частности, правила нормируют проектирование и изготовление ПЭВМ, используемых на производстве, в обучении, в быту, в игровых автоматах на базе ПЭВМ; проектирование, строительство и реконструкцию помещений (требования к микроклимату, уровням шума и вибрации, освещению, уровням электромагнитных полей), предназначенных для эксплуатации всех типов ПЭВМ; методы организации работы с ПЭВМ. В документе особым пунктом выделены особенности требований применительно к организации и оборудованию рабочих мест для обучающихся в общеобразовательных учреждениях.

Очевидно, что большинство перечисленных требований предназначаются тем, кто организует компьютерное обучение в школе. Поэтому постараемся выделить то немногое, о чем следует знать школьнику.

Не так давно много опасений у пользователей вызывало излучение монитора, которое возникает в электронно-лучевой трубке5 (в обычном телевизоре оно также имеет место). Но постепенно, читая о постоянном совершенствовании технологий производства, пользователи пришли к справедливому выводу, что современные мониторы защищены достаточно хорошо. Единственный факт, на который здесь стоит обратить внимание, так это то, что излучение максимально с задней стороны монитора. Отсюда меры предосторожности очевидны — ставить монитор с электронно-лучевой трубкой так, чтобы сзади него не было людей, например, к наружной стене.

Попутно заметим, что компьютерные рабочие места, как и обычные учебные столы, следует размещать таким образом, чтобы естественный свет падал преимущественно слева.

Еще один источник возможных негативных последствий, связанный с монитором, — нагрузка на зрение. Это гораздо более реальная угроза, чем излучение. Множество мелких деталей на экране монитора, которые необходимо рассматривать с предельным вниманием, вызывают у наших глаз существенное напряжение. Довольно эффективные меры борьбы с указанной опасностью существуют и они хорошо известны: тщательный выбор места для монитора (отсутствие бликов и посторонней подсветки изображения), хорошее рассеянное освещение, настройка монитора на максимально высокую частоту обновления экрана (для уменьшения мерцания6) и индивидуальная регулировка яркости. Освещение здесь играет особую роль: оно должно быть организовано так, чтобы на “поверхности стола в зоне размещения рабочего документа” быть очень интенсивным и равномерным, но при этом не подсвечивать экран.

Работая с компьютером, не стоит располагать глаза близко к монитору; медики рекомендуют расстояние вытянутой руки. Важной профилактической мерой является организация периодических перерывов и выполнения специальных несложных упражнений для глаз.

Примечание. Не будем требовать от учеников заучивания приведенных ниже норм из правил [4], но познакомим с ними. “Экран видеомонитора должен находиться от глаз пользователя на расстоянии 600–700 мм, но не ближе 500 мм с учетом размеров алфавитно-цифровых знаков и символов”. “Линия взора должна быть перпендикулярна центру экрана и оптимальное ее отклонение от перпендикуляра, проходящего через центр экрана в вертикальной плоскости, не должно превышать±5 градусов, допустимое ±10 градусов”.

Существуют также официальные нормы, ограничивающие время работы на компьютере. Они довольно жесткие для школьников: например, согласно санитарным нормам, для 10–11-го классов время непрерывной работы не может превышать 30 минут, и не должно быть более двух уроков в неделю.

Важную роль в работе за компьютером играет правильно подобранная мебель. Рекомендуется, чтобы она имела регулируемую высоту и возможность индивидуальной “подгонки” под фигуру конкретного пользователя. “Конструкция рабочего стола должна обеспечивать оптимальное размещение на рабочей поверхности используемого оборудования с учетом его количества и конструктивных особенностей, характера выполняемой работы”. “Поверхность сиденья, спинки и других элементов стула (кресла) должна быть полумягкой, с нескользящим, слабо электризующимся и воздухопроницаемым покрытием, обеспечивающим легкую очистку от загрязнений”.
В [4] приводятся конкретные нормативы, позволяющие определить геометрические размеры мебели в зависимости от роста человека. Данные рекомендации особенно полезно посмотреть при организации индивидуального рабочего места у себя дома.

Тем, кто проводит много времени за компьютером, обязательно надо контролировать свою позу: она должна обеспечивать минимум напряжений в теле (особенно это относится к мышцам шейно-плечевой области и спины) и обеспечивать нормальную циркуляцию крови. С этой точки зрения благоприятный эффект дают перерывы и физкультпаузы.

Если в результате работы за компьютером вы почувствуете какое-либо ухудшение состояния или дискомфорт, обязательно обратитесь за консультацией к врачу.

Примечание для учителей. Последнее предложение вопроса билета (“комплектация компьютерного рабочего места в соответствии с целями его использования”) весьма общее и неопределенное. Если, по мнению читателей, среди приведенных выше сведений об оборудовании рабочего места недостаточно материала для его освещения, есть два пути устранения проблемы: без особого ущерба для контроля знаний по информатике удалить из текста вопроса данное предложение или поискать разъяснение, как можно истолковать данную фразу, в других источниках. Авторы считают, что подобного рода формулировки, когда не очень понятно, что именно следует рассказать в ответе и когда он будет полным, а когда нет (особенно, если материал не имеет подробного и однозначного освещения в типовом учебнике по предмету!), не стоит включать в текст экзаменационных билетов.

Литература

1. Таненбаум Э. Архитектура компьютера. СПб.: Питер, 2003, 704 с.

2. Цилькер Б.Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. СПб.: Питер, 2004, 668 с.

3. Беркс А., Голдстейн Г., Нейман Дж. Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства // Кибернетический сборник. М.: Мир, 1964. Вып. 9.

4. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 “Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы”.

Пример. Образец текста:

Пример. Сколькими способами можно расставить n книг на книжной полке?

Решение. Данная задача сводится к подсчету количества перестановок из n элементов. Как известно, количество перестановок из n элементов вычисляется по формуле Pn = n!

QBasic	Pascal	C++
Print "Сколько книг? " Input n F = 1 For i = 1 to n F = F * i Next i Print F	Program Perest; Var i, n, F: longint; Begin Write('Сколько книг? '); readln(n); F:= 1; For i:= 1 to n do F:= F * i; Writeln(F) End.	#include <iostream.h> void main() {int n, F = 1; cout << "Сколько книг? "; cin >> n; for (int i = 1; i <= n; i++) F = F * i; cout << F; }

Дата добавления: 2015-04-23