Устройство и принципы работы персонального компьютера

Введение

Галина Н.В., Белоцерковская И.Е., Катаева Л.Ю.

T- Информатика. Алгоритмизация и язык программирования С++. /, Н.В. Галина [и др.]; Нижегород. гос. техн. ун-т им.Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород, 2014. 156 с.

ISBN

Пособие ознакомит студентов с принципами устройства персонального компьютера, понятием алгоритма, его видами, предусмотренных курсом «Специальные главы информатики». В настоящем пособии изложены вопросы алгоритмизации, принципы использования и реализации разных видов алгоритмов. Показаны основные аспекты построения программ на языке программирования С++. Приведены примеры реализации алгоритмов в графической и программной форме, с комментариями. Представлены варианты лабораторных заданий, а также образцы для их выполнения.

Редактор Т.В. Третьякова

Рис. 87. Библиогр.: 25 назв.

УДК

ББК

ISBN	©НГТУ, 2014 © Галина Н.В., Белоцерковская И.Е., Катаева Л.Ю., 2014

Оглавление

Введение. 5

Глава 1 Устройство и принципы работы персонального компьютера. Основы работы с ОС Windows 6

1.1 Устройство и принципы работы персонального компьютера. 6

1.2 Назначение блоков и их краткая характеристика. 11

1.3 Программное обеспечение персонального компьютера. 21

Глава 2 Понятие алгоритма. Виды алгоритмов. 22

Глава 3 Понятие блок-схемы. Основные типы блоков. Реализация основных алгоритмов. 24

3.1 Понятие блок-схемы.. 24

3.2 Линейный алгоритм.. 26

3.3 Разветвляющийся алгоритм.. 27

3.4 Циклический алгоритм.. 31

Глава 4 Основы программирования на языке С++. Принципы работы в приложениях Borland C++, Microsoft Visual Studio. 42

4.1 Основы программирования на языке С++. 42

4.2 Начало работы в приложении Visual Studio. 50

4.3 Начало работы в приложении Borland C++. 57

Глава 5 Графическая и программная реализации алгоритмов. 61

5.1 Реализация линейного алгоритма. 61

5.2 Реализация разветвляющегося алгоритма. 67

5.3 Реализация циклического алгоритма. 82

5.4 Исследование таблицы значений функции. 101

Глава 6 Понятие массива. Одномерные и двумерные массивы.. 106

6.1 Одномерные массивы.. 106

6.2 Двумерные массивы.. 113

6.3 Исследование двумерного массива. 114

Глава 7 Задания и варианты для лабораторных работ. Методические указания. 118

7.1 Задания и варианты для лабораторных работ. 119

7.2 Методические указания и примеры выполнения лабораторных работ. 141

Литература. 154

В современном мире компьютерные технологии используются во всех сферах человеческой деятельности: в научных исследованиях, лабораторных тестах, на производстве, в экономике и т.д. Для решения инженерных задач как правило применяются численные методы [1] – [5], [7] и уже на основе полученной интерпретации создается алгоритм решения [10], [11], [14], [15], [25] для реализации используются различные инструменты включая excel, компиляторы и др. [6], [8], [9], [12], [13], [16] – [24].

Предлагаемое пособие ознакомит студентов с основами работы на персональном компьютере, а также с принципами решения расчетных задач в графической и программной формах.

Настоящее пособие рассматривает следующие основные задачи:

1. Сформировать представление о работе персонального компьютера для обеспечения возможности использования ПЭВМ при решении расчетных задач.

2. Принципы формализации исходной расчетной задачи:

а) реализовать алгоритм в виде блок-схемы;

б) составить программу на языке программирования для получения результатов.

в) выполнить проверку полученных результатов с помощью ручного счета.

Содержимое пособия представлено семью главами, каждая из которых разделяется на параграфы. Нумерация параграфов во всех главах пособия сквозная, а пунктов, примеров, рисунков в каждом параграфе самостоятельная. Пособие содержит большое количество примеров с подробными решениями, варианты заданий для лабораторных работ с образцами их выполнения.

Первая глава посвящена устройству и принципам работы ПЭВМ.

Вторая глава содержит материал о понятии алгоритма, видах алгоритма. Приведены простейшие примеры.

В третье главе изложены принципы графической реализации алгоритма – блок-схемы. Представлены примеры составления блок-схем для разных видов алгоритма.

Четвертая глава рассматривает основы программирования на языке С++ в средах: Visual Studio C++, Borland C++. Излагаются основные моменты работы в данных средах. Приводятся примеры составления и запуска простейшей программы.

Пятая глава посвящена графической и программной реализациям разных видов алгоритма. Представлено множество примеров с подробным решением и комментариями.

В шестой главе изложено понятие массива, принципы его использования. Приведены примеры с решениями и комментариями.

Седьмая глава содержит варианты заданий на лабораторные работы. Приведены примеры выполнения лабораторных работ.

Пособие разработано с учетом новой программы по информатике и содержит задачи, ориентированные на применение средств вычислительной техники.

Пособие окажет помощь студентам в самостоятельной работе над типовыми лабораторными работами.

Глава 1 Устройство и принципы работы персонального компьютера. Основы работы с ОС Windows

В широком смысле слова информатика – это область знаний, изучающая как саму информацию, так и вопросы, связанные с ее сбором, обработкой и хранением. В более узком смысле информатика – это дисциплина, связанная с изучением основных приемов работы на компьютере. Именно в этом смысле мы и будем рассматривать это понятие в нашем курсе.

Компьютер, также ПК (персональный компьютер), ПЭВМ (персональная электронно-вычислительная машина) – это машина, состоящая из взаимосвязанных блоков, предназначенная для ввода, хранения, обработки и вывода информации.

Применение компьютера позволило переложить часть работы по переработке информации на автоматические устройства, способные достаточно долго работать без участия человека и со скоростью в несколько миллионов раз превышающей скорость обработки информации человеком.

При этом область применения компьютера чрезвычайно широка. Современные компьютеры позволяют проводить сложнейшие расчеты при создании установок термоядерного синтеза или сверхзвуковых самолетов, управлять фабриками, заводами, атомными и электростанциями, осуществлять автоматизированное проектирование от мельчайших деталей до индустриальных гигантов, моделировать технологические процессы и проводить статистическую обработку данных в таких областях науки, где проведение реальных экспериментов невозможно (например, в астрофизике), прогнозировать погоду, изменение климата, извержение вулканов, тайфуны, смерчи и т.д., ставить диагноз в медицине, проводить социологические исследования, создавать фильмы, резервировать билеты на самолеты и поезда, обучать и т.д. и т.п. Практически нельзя назвать такую область деятельности человека в современном мире, где компьютер не нашел бы своего применения.

Огромное разнообразие областей применения компьютера привело к созданию различных его типов - больших и малых, универсальных и специализированных. Однако, несмотря на это различие, все компьютеры имеют общую структуру и принцип работы.

Прежде всего, любой компьютер состоит из миллионов и даже сотен миллионов простейших электронных устройств - полупроводниковых кристаллов, размещенных на микросхеме и содержащих большое количество соединенных между собой деталей. Отсюда и другое название компьютера - электронно-вычислительная машина (ЭВМ).

Работа ЭВМ основана на приеме и обработке электрических сигналов двух типов, которые принято обозначать цифрами 0 и 1 (0 - сигнала нет, 1 - сигнал есть).

Любая информация представляется в ЭВМ последовательностью этих двух цифр 0 и 1. Такие последовательности называются двоичными кодами, а цифры 0 и 1 называются битами (от англ. bit - binary digit - двоичная цифра). Такая кодировка сравнима с азбукой Морзе, когда информация кодировалась и передавалась в виде последовательностей точек и тире.

В большинстве современных ЭВМ каждому символу соответствует последовательность из 8 нулей и единиц, называемая байтом (англ. byte). Всего существует 256 разных последовательностей из 8 нулей и единиц - это позволяет закодировать 256 разных символов, например большие и малые буквы русского и латинского алфавитов, цифры, знаки препинания и т.д. Соответствие байтов и символов задается с помощью таблицы, в которой для каждого кода указывается соответствующий символ. В России широкое распространение получила кодировочная таблица КОИ-8. В КОИ-8 каждая буква, знак препинания, пробел - это последовательность из 8 нулей и единиц, например, большая русская буква А имеет код 01000001, буква И - код 11101001, буква М - 11101101 и т.д.

Последовательностями нулей и единиц можно закодировать и графическую информацию. Если Вы внимательно всмотритесь в любую фотографию, то обнаружите, что она состоит из мельчайших точек, отличающихся друг от друга цветом и оттенком. Используя последовательности нулей и единиц можно закодировать и передать цвет и оттенок каждой точки.

Для измерения количества информации в качестве единицы измерения также используется бит. Один бит - это количество информации, содержащееся в сообщении типа “да - нет” (0 или 1 в двоичном коде) и уменьшающее наше незнание в каком-либо вопросе вдвое. Например, если перед Вами стоит задача сделать выбор из двух равноправных возможностей, то Вы можете бросить монету и следовать тому, что выпало (орел или решка). Количество полученной информации в этом случае равно одному биту. Исходя из этого, количество информации в информатике определяется как мера уменьшения неопределенности. Восемь бит образуют более крупную единицу информации - байт.

Биты и байты используются также для измерения объема памяти ЭВМ (память ЭВМ состоит из отдельных ячеек, подобно пчелиным сотам, каждая из которых способна хранить один байт информации) и скорости передачи двоичных сообщений (количество передаваемых бит в секунду или бод – англ. baud, например, 19200 бит/с).

Наряду с битами и байтами для измерения количества информации в двоичных сообщениях используются и более крупные единицы:

1 Кбит (один килобит) = 210 бит = 1024 бит;

1 Мбит (один мегабит) = 210 Кбит = 1024 Кбит;

1 Гбит (один гигабит) = 210 Мбит = 1024 Мбит;

1 Кбайт (один килобайт) = 210 Кбайт = 1024 байт;

1 Мбайт (один мегабайт) = 210 Кбайт = 1024 Кбайт;

1 Гбайт (один гигабайт) = 210 Мбайт = 1024 Мбайт.

Например, в коде КОИ-8 каждая буква, знак препинания, пробел - это 1 байт. В каждой строке книги стандартного формата содержится примерно 60 знаков (60 байт), средняя страница имеет информационный объем около 2500 байт (2,5 Кбайт), цветной телевизионный кадр, образованный из трех кадров основных цветов (красный, синий, зеленый) содержит уже около мегабайта информации, а полуторачасовой цветной фильм (при частоте 25 кадров в секунду) - более 100 гигабайт.

Основные блоки, входящие в состав компьютера:

1. системный блок, включающий в себя центральный процессор;

2. монитор;

3. клавиатура;

4. мышь;

5. принтер;

6. сканер;

7. другие устройства.

На рис. 1.1 представлена структурная схема персонального компьютера.

Рис. 1.1 Структурная схема ПЭВМ

В основе построения ЭВМ лежит “модульный принцип”, заключающийся в том, что ЭВМ разрабатывается, изготавливается и собирается из отдельных частей - модулей, подобно детскому конструктору, а не как единое устройство. Каждый модуль представляет собой конструктивно и функционально законченный электронный блок. Добавляя или меняя модули, можно изменять конфигурацию ЭВМ. Такой принцип разработки ЭВМ получил название “открытой архитектуры”.

Таким образом, компьютер представляет собой комплекс взаимосвязанных устройств, каждое из которых выполняет определенные функции. Часто употребляемый термин «конфигурация компьютера» означает комплектацию конкретного компьютера с определенным набором дополнительных (внешних или периферийных) устройств.

Другое не менее важное понятие, «минимальная конфигурация компьютера», устанавливает такой набор устройств, дальнейшее уменьшение которого приведет к нецелесообразности использования компьютера для работы. В этот набор входят следующие основные блоки (модули) компьютера:

1. системный блок (микропроцессор, оперативная, постоянная и кэш-память, контроллеры, порты, блок питания, накопители для ГМД, винчестер);

2. клавиатура;

3. дисплей (англ. – показ, демонстрация) или иначе монитор (MDA, Hercules, CGA, EGA, VGA, SVGA).

Различают также понятие «обязательной конфигурации» компьютера, которая означает необходимый набор компонентов для работы с конкретным программным продуктом. Кроме того, для выполнения различного вида работ используются дополнительные (внешние или периферийные) устройства: принтер, модем, сканер, CD-дисковод, мышь, трэкболл и др.

Непосредственной обработкой информации в ЭВМ занимается процессор - небольшая электронная микросхема. Процессор - это своего рода “мозг” ЭВМ. С помощью устройства управления (УУ), входящего в его состав, он управляет работой всей ЭВМ, осуществляет перемещение информации из одной ячейки памяти в другую, а с помощью своего арифметико-логического устройства (АЛУ), выполняет логические операции (сравнивает числа и др.) и производит необходимые вычисления и действия (сложение, вычитание, умножение, деление, возведение в степень и т.д.).

Вся работа ЭВМ состоит в выполнении процессором заданной последовательности операций. Это выполнение происходит под управлением программы. Программа - это набор инструкций или команд, предписывающих процессору выполнить то или иное действие над информацией, хранящейся в памяти. В каждой команде указывается, где именно в памяти находится нужная информация, какую именно следует выполнить операцию, в какое место памяти нужно поместить результат операции.

В современных ЭВМ используются различные виды памяти. Для того чтобы обеспечить бесперебойную работу процессора используют память с быстрым чтением и записью информации. Такую память называют оперативной или внутренней. С другой стороны, если о некоторой информации заранее известно, что она долго не понадобится, то ее помещают в память с медленным чтением и записью, но большего объема и лишь при необходимости переписывают ее содержимое в оперативную память. Медленную память называют внешней. Кроме того, у ЭВМ может быть постоянная память, содержимое которой устанавливается на заводе-изготовителе и в дальнейшем не изменяется. Эта память используется для запуска ЭВМ при ее включении.

Таким образом, процессор выполняет операции по обработке информации, а память хранит обрабатываемую процессором информацию и программы работы ЭВМ.

Однако информация, обрабатываемая процессором и хранящаяся в памяти, вначале должна быть введена, а результаты работы ЭВМ должны быть выведены для их дальнейшего использования. Эти операции осуществляются устройствами ввода-вывода.

Основным устройством ввода, используемым человеком, является клавиатура (аналогичная клавиатуре пишущей машинки). На клавиатуре имеются буквы русского и латинского алфавитов, цифры и символы. В память ЭВМ они передаются закодированными с помощью электрических сигналов (0 и 1) так, как это объяснялось выше.

Основным устройством вывода информации для непосредственного восприятия ее человеком является монитор - телевизионный экран. Изображение на экране строится из отдельных точек. Чем больше этих точек, тем выше качество изображения на экране. Для хранения изображения используется специальная память - видеопамять.

Вначале с устройства ввода дается команда на выполнение той или иной программы, хранящейся во внешней памяти (исключение составляют программы, предназначенные для запуска компьютера и хранящиеся во внутренней памяти). В каждой команде указывается, где именно в памяти находится нужная информация, какую следует выполнить операцию (действие), куда поместить результат операции (действия). Перед выполнением программа считывается в оперативную память компьютера. Команды программы располагаются в оперативной памяти последовательно, одна за другой. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая команда, определяет какую необходимо выполнить операцию и организует ее выполнение в арифметико-логическом устройстве. Полученный результат поступает в оперативную память. После выполнения этой команды устройство управления организует выполнение следующей команды и т.д. Однако устройство управления может изменить этот порядок с помощью команд передачи управления (перехода), которые могут быть записаны как в самой выполняемой программе, так и задаваться с устройства ввода. Результаты выполнения программы могут оставаться в оперативной памяти для их последующего использования до отключения компьютера, после чего они исчезают, или же выводятся на устройство вывода и (или) записываются на внешнюю память для длительного хранения.

Дата добавления: 2017-01-13