4 Техническое и программное обеспечение

^ ИТ и ИС управления организацией

• 
  Использование технических средств, базирующихся на системном и комплексном объединении всей техники с учетом ряда предъявляемых требований.
• 
  Главные составляющие технического обеспечения - компьютеры разных классов, масштабов действия, универсальные и специализированные, а также средства их взаимодействия и коммуникации, т. е. сетевое оборудование.
• 
  Системные и прикладные программы в составе программного обеспечения, их влияние на производительность работы пользователя - экономиста.
• 
  Разнообразные предложения рынка программных продуктов, оценка пользователями их пригодности и качества в соотношении с денежными затратами, а также их применимости в условиях конкретных предприятий.

^ 4.1. Состав технического обеспечения ИТ и ИС управления организацией
Техническая основа ИТ и ИС управления представлена совокупностью взаимосвязанных единым управлением автономных технических средств сбора, накопления, обработки, передачи, вывода и представления информации, средств обработки документов и оргтехники, а также средств связи для осуществления информационного обмена между различными техническими средствами.

Достижение эффективной работы ИС предполагает выполнение не которого набора требований, предъявляемых к комплексу технических средств (КТС), основными из которых являются следующие:

· минимизация трудовых и стоимостных затрат на решение всего комплекса задач системы;

· реализация интегрированной обработки информации за счет информационной, технической и программной совместимости различных технических устройств;

· обеспечение пользователей связью через терминальные устройства с распределенной базой данных; высокая надежность;

· наличие защиты информации от несанкционированного доступа;

· реализуемость КТС, Т.е. возможность его создания за счет типовых средств, выпускаемых отечественной промышленностью;
гибкость структуры КТС, Т.е. перспектива включения в его состав новых, более совершенных технических средств по мере освоения их промышленностью;

· минимизация капитальных затрат на приобретение КТС и их текущую эксплуатацию.

Эффективное функционирование ИС базируется на комплексном использовании современных технических средств обработки информации и методов организации технологических процессов решения задач. Основой дальнейшего развития автоматизации управленческой деятельности в различных отраслях экономики является новая, прогрессивная информационная технология, ориентированная на использование последних достижений электронной техники, в частности, высокопроизводительных, быстродействующих компьютеров и современных средств связи.

Создание новой технологии требует учета особенностей структуры экономических систем. Прежде всего, это сложность организационного взаимодействия, вызывающая необходимость создания многоуровневых иерархических систем (головная фирма, филиалы) со СЛОЖНЫМИ информационными связями прямого и обратного направления с организациями-смежниками.

Главным элементом комплекса технических средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения управленческих задач, является электронная вычислительная машина, или компьютер.

В сфере экономики это - компьютеры различной мощности, быстродействия, размеров. Они предназначены для решения самых различных задач: экономических, математических, информационных и других задач, отличающихся сложностью алгоритмов и большим объемом обрабатываемых данных, и широко используются в мощных вычислительных комплексах.

Характерными чертами современных компьютеров являются: высокая производительность; разнообразие форм обрабатываемых данных - двоичных, десятичных, символьных, при большом диапазоне их изменения и высокой точности представления; обширная номенклатура выполняемых операций, как арифметических, логических, так и специальных; большая емкость оперативной памяти; развитая организация системы ввода-вывода информации, обеспечивающая подключение разнообразных видов внешних устройств.

Проблемно-ориентированные вычислительные средства служат для решения более узкого круга задач, связанных, как правило, с управлением технологическими объектами, регистрацией, накоплением и обработкой относительно небольших объемов данных, выполнением расчетов по относительно несложным алгоритмам. Они обладают ограниченными по сравнению с универсальными компьютерами аппаратными и программными ресурсами. К проблемно-ориентированным можно отнести, в частности, всевозможные управляющие вычислительные комплексы.

^ Специализированные вычислительные средства используются для решения узкого круга задач или реализации строго определенной группы функций. Такая узкая ориентация позволяет четко специализировать структуру, существенно снизить сложность и стоимость компьютеров при сохранении высокой производительности и надежности их работы. К специализированным можно отнести, например, программируемые микропроцессоры специального назначения ; адаптеры и контроллеры, выполняющие логические функции управления отдельными несложными техническими устройствами, агрегатами и процессами; устройства согласования и сопряжения работы узлов вычислительных систем.

По размерам и функциональным возможностям применяемые в управленческой деятельности компьютеры подразделяются на сверхбольшие (мэйнфреймы), большие, малые, сверхмалые (микрокомпьютеры).

Функциональные возможности современных компьютеров отличают:

· быстродействие, измеряемое усредненным количеством операций, выполняемых машиной за единицу времени;

· разрядность и формы представления чисел, с которыми оперирует вычислительная система;

· номенклатура, емкость и быстродействие всех запоминающих устройств;

· номенклатура и технико-экономические характеристики внешних устройств хранения, обмена и ввода-вывода информации;

· типы и пропускная способность устройств связи и сопряжения узлов компьютера между собой (внутримашинного интерфейса);

· способность компьютера одновременно работать с несколькими пользователями и выполнять при этом несколько программ (многопрограммность);

· типы и технико-эксплуатационные характеристики операционных систем, используемых в машине;

· наличие и функциональные возможности программного обеспечения;

· способность выполнять программы, написанные для других типов машин (программная совместимость с другими компьютерами);

· система и структура машинных команд:

· возможность подключения к каналам связи и к вычислительной сети;

· эксплуатационная надежность компьютеров;

· коэффициент полезного использования компьютеров во времени, определяемый соотношением времени полезной работы и времени профилактики.

^ 5 Информационные технологии управления

По данным экспертов, на мэйнфреймах сейчас находится около 70% компьютерной информации; только в США в 1998 г. были установлены 400 тыс. мэйнфреймов. В России в настоящее время используется около 5 тыс. ЕС ЭВМ и примерно столько же фирменных мэйнфреймов: IВМ (ES/9000 установлены на автозаводах, металлургических комбинатах), Нitachi Data System, Fujitsu и др.

Малые компьютеры - надежные, недорогие и удобные в эксплуатации, обладающие несколько более низкими по сравнению с мэйнфреймами возможностями.

Мини-компьютеры (и наиболее мощные из них супермини) обладают следующими характеристиками:

· производительность - до 100 MIPS;

· емкость основной памяти - 4-512 Мбайт:

· емкость дисковой памяти - 2-100 Гбайт;

· число поддерживаемых пользователей - 16-512.

Все применяемые модели этого типа разрабатываются на основе микропроцессорных наборов интегральных микросхем, 16-, 32-, 64разрядных микропроцессоров. Широкий диапазон производительности в конкретных условиях применения, аппаратная реализация большинства системных функций ввода-вывода информации, простая реализация микропроцессорных и многомашинных систем, высокая скорость обработки прерываний, возможность работы с форматами данных различной длины делают удобным их использование в ИТ управления.

К достоинствам компьютеров можно отнести: специфичную архитектуру с большой модульностью, лучшее, чем у мэйнфреймов, соотношение производительность/цена, повышенная точность вычислений. Они ориентированы на использование в составе управляющих вычислительных комплексов. Традиционная для подобных комплексов широкая номенклатура периферийных устройств дополняется блоками межпроцессорной связи, благодаря чему обеспечивается реализация вычислительных систем с изменяемой структурой.

Компьютеры успешно применяются для вычислений в многопользовательских вычислительных системах, в системах автоматизированного проектирования, в системах моделирования несложных объектов, в системах искусственного интеллекта.

Персональный компьютер удовлетворяет требованиям общедоступности и универсальности применения и имеет следующие характеристики:

· малую стоимость, находящуюся в пределах доступности для индивидуального покупателя;

· автономность эксплуатации без специальных требований к условиям окружающей среды;

· гибкость архитектуры, обеспечивающую ее адаптивность к разнообразным применениям в сфере управления, науки, образования, в быту;

. «дружественность» операционной системы и прочего программного обеспечения, обусловливающую возможность работы с ней пользователя без специальной профессиональной подготовки;

Высокую надежность работы (более 5000 ч наработки на отказ).

В сфере управленческой деятельности широкое применение нашли персональные компьютеры, выпускаемые американскими фирмами Compaq Computer, Аррlе (Macintosh), Hewlett Packard, Оеll, ОЕС, а также фирмами Великобритании - Spectrum, Amstrad; Франции - Micral;

Италии - 0livetty; Японии - Toshiba, Panasonic и Partner.

Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются персональные компьютеры клона (архитектуры определенного направления) (ВМ, первые модели которых появились в 1981 г. Существенно уступают им по популярности персональные компьютеры клона ОЕС (Digital Equipment Corporation), в частности широко известные ПК Macintosh фирмы Аррlе, занимающие по распространению 2-е место.

В начале 2000 г. мировой парк компьютеров составлял примерно 250 млн шт., из них около 90% - это персональные компьютеры, в частности, профессиональных ПК типа IВМ РС насчитывалось более 100 млн шт. (около 75% всех ПК); профессиональных ПК типа ОЕС - около 5 млн шт.

За рубежом самыми распространенными моделями компьютеров в настоящее время являются компьютеры с микропроцессорами Pentium и Pentium Рro (табл. 4.1).
Таблица 4.1. Усредненные характеристики современных ИК /ВМ Ре

Параметр	Тип микропроцессора
	80386 SX	80386 ОХ	80486 SX	80486 ОХ	Pentium	Pentium Рro
Тактовая частота,	25-40	33-40	33-80	50-100	60-150	100-400
Разрядность, бит	32	32	32	32	64	64
Объем ОЗУ, Мбайт	1;2;4	2;4;8	2;4;8	4;6;8	8;16	16;32
Объем КЭШ-памяти, Кбайт	Нет	64,128	128;256	256;512	512;1024	512;1024
Емкость НЖМД, Мбайт	210	420	540	850	2000	10000
Видеоадаптер VGA/SVGA,%	30/70	24/76	10/90	0/100	0/100	0/100
Наличие сопро- цессора	45	67	80	100	100	100

^ Особую интенсивно развивающуюся группу компьютеров образуют многопользовательские, применяемые в вычислительных сетях серверы. Серверы обычно относят к микроЭВМ, но по своим характеристикам мощные серверы скорее можно отнести к малым ЭВМ и даже к мэйнфреймам, а суперсерверы приближаются к суперЭВМ.·

Сервер - выделенный для обработки запросов от всех станций вычислительной сети компьютер, предоставляющий этим станциям доступ к общим системным ресурсам (вычислительным мощностям, базам данных, библиотекам программ, принтерам, факсам и др.) и распределяющий эти ресурсы. Такой универсальный сервер часто называют сервером приложений.

^ Серверы в сети часто специализируются. Специализированные серверы используются для устранения наиболее узких мест в работе сети: создание и управление базами данных и архивами данных, поддержка многоадресной факсимильной связи и электронной почты, управление многопользовательскими терминалами (принтеры, плоттеры) и др.

Файл-сервер (File Server) используется для работы с файлами данных, имеет объемные дисковые запоминающие устройства, часто на отказоустойчивых дисковых массивах КАЮ емкостью до 1 Тбайта.

^ Архивационный сервер (сервер резервного копирования) служит для резервного копирования информации в крупных многосерверных сетях, использует накопители на магнитной ленте (стриммеры) со сменными картриджами емкостью до 5 Гбайт; обычно выполняет ежедневное автоматическое архивирование со сжатием информации от серверов и рабочих станций по сценарию, заданному администратором сети (естественно, с составлением каталога архива).

Факс-сервер (Net SatisFaxioп) - выделенная рабочая станция для организации эффективной многоадресной факсимильной связи с несколькими факсмодемными платами, со специальной защитой информации от несанкционированного доступа в процессе передачи, с системой хранения электронных факсов.

^ Почтовый сервер (Mail Server) - то же, что и факс-сервер, но для организации электронной почты, с электронными почтовыми ящиками.

Сервер печати (Priпt Server, Net Port) предназначен для эффективного использования системных принтеров.

^ Сервер телеконференций имеет систему автоматической обработки видеоизображений и др.

Быстроразвивающийся подкласс персональных компьютеров портативные компьютеры (notebook, laptop).

Большинство портативных компьютеров имеет автономное питание от аккумуляторов, но может подключаться и к сети.

В качестве видеомониторов у них применяются плоские с видеопроектором жидкокристаллические дисплеи, реже - люминесцентные для презентаций или газоразрядные.

Портативные компьютеры весьма разнообразны: от громоздких и тяжелых (до ]5 кг) портативных рабочих станций до миниатюрных электронных записных книжек массой около 100 г. Портативные рабочие станции -наиболее мощные и крупные переносные ПК.

Они оформляются часто в виде чемодана и носят жаргонное название Nomadic - кочевник. Их характеристики аналогичны характеристикам стационарных ПК - рабочих станций: мощные микропроцессоры, часто типа RISC, с тактовой частотой до 300 МГц; оперативная память емкостью до 64 Мбайт; гигабайтные дисковые накопители; быстродействующие интерфейсы и мощные видеоадаптеры с видеопамятью до 4 Мбайт.

По существу это обычные рабочие станции, питающиеся от сети, но конструктивно оформленные в корпусе, удобном для переноса, и имеющие, как и все переносные ПК, плоский жидкокристаллический видеомонитор класса не выше УОА. Nomadic обычно имеют модемы и могут оперативно подключаться к каналам связи для работы в вычислительной сети.

Главной тенденцией развития вычислительной техники в настоящее время является дальнейшее расширение сфер применения ЭВМ и как следствие переход от отдельных машин к их системам - вычислительным системам и комплексам разнообразных конфигураций с широким диапазоном функциональных возможностей и характеристик.

Наиболее перспективные, создаваемые на основе персональных ЭВМ, территориально распределенные многомашинные вычислительные системы - вычислительные сети - ориентируются не столько на вычислительную обработку информации, сколько на коммуникационные информационные услуги: электронную почту, системы телеконференций и информационно-справочные системы.

В сети Intemet реализован принцип гипертекста, согласно которому абонент, выбирая встречающиеся в читаемом тексте ключевые слова, может получить необходимые дополнительные пояснения и материалы.

При разработке и создании современных ПК существенный и устойчивый приоритет в последние годы имеют сверхмощные компьютеры - суперкомпьютеры, а также миниатюрные и сверхминиатюрные П К. Ведутся исследовательские работы по созданию компьютеров 6-го поколения, базирующихся на распределенной нейронной архитектуре нейрокомпьютеров.

Широкое внедрение средств мультимедиа, в первую очередь аудио- и видеосредств ввода и вывода информации, позволит общаться с компьютером на естественном языке.

Программное обеспечение позволяет усовершенствовать организацию работы вычислительной системы с целью максимального использования ее техники.
Необходимость в разработке ПО обусловливается следующим:
- обеспечить работоспособность технических средств, так как без программного обеспечения они не могут осуществить никаких вычислительных и логических операций;
- обеспечить взаимодействие пользователя с техникой;
- сократить цикл от постановки задачи до получения результата ее решения;
- повысить эффективность использования ресурсов технических средств.
В настоящее время распространены такие формы ИС в управлении предприятиями:
- индивидуальное использование компьютеров;
- автоматизированные рабочие места (АРМ);
- локальные вычислительные сети (ЛВС).
Эти формы децентрализации ресурсов существенно различаются по концентрации вычислительных средств.
Опыт автоматизации управления в производственно-экономических структурах показал, что степень влияния ИС с развитыми информационно-справочными функциями на эффективность управленческой деятельности очень существенна. К наиболее важным результатам ее работы можно отнести:
- расширение информационных возможностей и повышение оперативности принятия решений для ранее действовавших и вновь создаваемых структурных подразделений;
- усиление на этой основе координирующих функций звеньев центрального аппарата управления;
- значительное повышение информированности и рабочей квалификации работников всех уровней управления.
Применение АРМ не должно нарушать привычный пользователю ритм его работы, должно обеспечивать концентрацию внимания пользователя на логической структуре решаемых задач. Однако если заданное действие не производится или результат искажается, пользователь должен знать причину и информация об этом должна выдаваться на экран.
В составе программного обеспечения АРМ можно выделить два основных вида обеспечения, различающихся по функциям: общее (системное) и специальное (прикладное). К общему программному обеспечению относится комплекс программ, обеспечивающий автоматизацию разработки программ и организацию экономичного вычислительного процесса на ПК безотносительно к решаемым задачам. Специальное (прикладное) программное обеспечение представляет собой совокупность программ решения конкретных задач пользователя.
Режим работы различных технологий, технические особенности вы-числительных устройств, разнообразие и массовый характер их применения предъявляют особые требования к программному обеспечению. Такими требованиями являются: надежность, эффективность использования ресурсов ПК, структурность, модульность, эффективность по затратам, дружественность по отношению к пользователю. При разработке и выборе программного обеспечения необходимо ориентироваться в архитектуре и характеристиках ПК, имея в виду минимизацию времени обработки данных, системное обслуживание программ большого количества пользователей, повышение эффективности использования любых конфигураций технологических схем обработки данных.
Классификация программного обеспечения АРМ приведена на рис. 4.1.
Главное назначение общего ПО - запуск прикладных программ и управление процессом их выполнения.
Специальное программное обеспечение АРМ обычно состоит из уникальных программ и функциональных пакетов прикладных программ. Именно от функционального ПО зависит конкретная специализация АРМ. Учитывая, что специальное ПО определяет область применения АРМ, состав решаемых пользователем задач, оно должно создаваться на основе инструментальных программных средств диалоговых систем, ориентированных на решение задач со схожими особенностями обработки информации.
Рис. 4.1. Классификация программного обеспечения АРМ
Программное обеспечение АРМ должно обладать свойствами адаптивности и настраиваемости на конкретное применение в соответствии с требованиями пользователя.
В качестве операционных систем АРМ, созданных на базе 16разрядных компьютеров, обычно используется MS DOC, на базе 32- разрядных-OS/2 и UNIX.
Основными приложениями пакетов прикладных программ, входящих в состав специального ПО АРМ, являются обработка текстов, табличная обработка данных, управление базами данных, машинная и деловая графика, организация человеко-машинного диалога, поддержка коммуникаций и работа в сетях.
Эффективными в АРМ являются многофункциональные интегрированные пакеты, реализующие несколько функций переработки информации, например табличную, графическую, управление базами данных, текстовую обработку в рамках одной программной среды.
Интегрированные пакеты удобны для пользователей. Они имеют единый интерфейс, не требуют стыковки входящих в них программных средств, обладают достаточно высокой скоростью решения задач.
Эффективное функционирование ИС управления и АРМ специалиста базируется на комплексном использовании современных программных средств обработки информации в совокупности с современными организационными формами размещения техники.
Выбор организационных форм использования программных средств целесообразно осуществлять с учетом их рассредоточения по уровням иерархии управления в соответствии с организационной структурой автоматизируемого объекта. При этом основным принципом выбора является коллективное обслуживание пользователей, отвечающее структуре экономического объекта.
С учетом современной функциональной структуры территориальных органов управления совокупность программно-технических средств должна образовывать по меньшей мере трехуровневую глобальную систему обработки данных с развитым набором периферийных средств каждого уровня (рис. 4.2).
Первый уровень - центральная вычислительная система территориального или корпоративного органа, включающая одну или несколько мощных ЭВМ, или мэйнфреймов. Ее главная функция - общий, экономический и финансовый контроль, информационное обслуживание работников управления.
Второй уровень - вычислительные системы предприятий (объединений), организаций и фирм, которые включают мэйнфреймы, мощные ПК, обеспечивают обработку данных и управление в рамках структурной единицы.
Рис. 4 2 Принципиальная схема многоуровневой организации программно-технических средств ИС
Третий уровень - локально распределенные вычислительные сети на базе ПК, обслуживающие производственные участки нижнего уровня. Каждый участок оснащен собственным ПК, который обеспечивает комплекс работ по первичному учету, учету потребности и распределения ресурсов. В принципе это может быть автоматизированное рабочее место (АРМ), выполняющее функциональные вычислительные процедуры в рамках определенной предметной области.
Пакеты прикладных программ являются наиболее динамично раз-вивающейся частью программного обеспечения: круг решаемых с их помощью задач постоянно расширяется. Внедрение компьютеров во все сферы деятельности стало возможным благодаря появлению новых и совершенствованию существующих ППП.
Структура и принципы построения ППП зависят от класса ЭВМ и операционной системы, с которой этот пакет будет функционировать. Наибольшее количество ППП создано для 1ВМ РС-совместимых компьютеров с операционной системой М8 008 и операционной оболочкой \VINDOWS. Классификация этих пакетов программ по функционально-организационному признаку представлена на рис. 4.3.
Проблемно-ориентированные ППП - наиболее функционально развитые и многочисленные ППП. Они включают следующие программные продукты: текстовые процессоры, издательские системы, графические редакторы, демонстрационную графику, системы мультимедиа, ПО САПР, организаторы работ, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных, программы распознавания символов, финансовые и аналитикостатистические программы.
Электронные таблицы (табличные процессоры) - пакеты программ для обработки табличным образом организованных данных. Пользователь имеет возможность с помощью средств пакета осуществлять разнообразные вычисления, строить графики, управлять форматом ввода-вывода данных, компоновать данные, проводить аналитические исследования и т.п.
В настоящее время наиболее популярными и эффективными пакетами данного класса являются Excel, Improv, Quattro Pro, 1-2-3.
Организаторы работ - это пакеты программ, предназначенные для автоматизации процедур планирования использования различных ресурсов (времени, денег, материалов) как отдельного человека, так и всей фирмы или ее структурных подразделений.
К пакетам данного типа относятся: Time Line, MS Project, SuperProject, Lotus Organizer, ACT1.
Рис 4 3. Классификация ППП
Текстовые процессоры - программы для работы с документами (текстами), позволяющие компоновать, форматировать, редактировать тексты при создании пользователем документа. Признанными лидерами в части текстовых процессоров для ПК являются MS Word, WordPerfect, Ami Pro.
Настольные издательские системы (HMQ - программы для про-фессиональной издательской деятельности, позволяющие осуществлять электронную верстку основных типов документов, например информационного бюллетеня, краткой цветной брошюры и объемного каталога или торговой заявки, справочника.
Наилучшими пакетами в этой области являются Corel Ventura, PageMaker, QuarkXPress, FrameMaker, Microsoft Publisher, PagePlus. Кроме первого, остальные пакеты созданы в соответствии со стандартами Windows.
Графические редакторы - пакеты для обработки графической информации; делятся на ППП обработки растровой графики и изображений и векторной графики.
ППП первого типа предназначены для работы с фотографиями. В пакетах предусмотрены возможности преобразования фотографий в изображение с другой степенью разрешения или другие форматы данных (типа BMP, GIF и т.п.). Признанный лидер среди пакетов данного класса - Adobe Photoshop. Известные пакеты - Aldus Photostyler, Picture Publisher, PhotoWorks Plus. Все программы ориентированы на работу в среде Windows.
Пакеты с векторной графикой предназначены для профессиональной работы, связанной с художественной и технической иллюстрацией с последующей цветной печатью. Они обладают широким набором функциональных средств для сложной и точной обработки графических изображений.
Пакеты демонстрационной графики являются конструкторами графических образов деловой информации, т. е. своеобразного видеошоу, призванного в наглядной и динамичной форме представить результаты некоторого аналитического исследования. Пакеты позволяют создавать почти все виды диаграмм и извлекать данные для графиков из табличных процессоров. Программы данного типа просты в работе и снабжены интерфейсом, почти не требующим изучения. К наиболее популярным пакетам данного типа относятся PowerPoint, Harvard Graphics, WordPerfect Presentations, Freelance Graphics. Пакеты программ мультимедиа предназначены для отображения и обработки аудио- и видеоинформации. Помимо программных средств компьютер должен быть оборудован дополнительными платами, позволяющими осуществлять ввод-вывод аналоговой информации, ее преобразование в цифровую форму.
Среди мультимедийных программ можно выделить две большие группы. Первая включает пакеты для обучения и досуга. Поставляемые на CD-ROM емкостью от 200 до 500 Мбайт каждый, они содержат аудиовизуальную информацию по определенной тематике.
Разнообразие их огромно, и рынок этих программ постоянно расширяется при одновременном улучшении качества видеоматериалов.
Вторая группа включает программы для подготовки видеоматериалов для создания мультимедиа представлений, демонстрационных дисков и стендовых материалов.
К пакетам данного вида относятся Director for Windows, Multimedia ViewKit, NEC MultiSpin.
Другая разновидность пакетов программ, связанная с обработкой графических изображений, это - системы автоматизации проектирования. Они предназначены для автоматизации проектно-конструкторских работ в машиностроении, автомобилестроении, промышленном строительстве и т.п.
Своеобразным стандартом среди программ данного класса является пакет AutoCAD фирмы Autodesk. Отметим также программы DesignCAD, Drafic CAD Professional, Drawbase, Microstation, Ultimate CAD Base и Turbo CAD. Эти пакеты отличаются богатством функциональных возможностей и предназначены для функционирования в среде Windows (Windows NT) или OS/2.
Программы распознавания символов предназначены для перевода графического изображения букв и цифр в ASCII-коды этих символов и используются, как правило, совместно со сканерами.
Пакеты данного типа обычно включают разнообразные средства, облегчающие работу пользователя и повышающие вероятность правильного распознавания.
Скорость сканирования современных ППП составляет примерно 1,5 минуты на страницу. К пакетам данного типа относятся Fine Reader, CunieForm, Tigert™, OmniPage.
Разнообразными пакетами представлена группа финансовых программ: для ведения личных финансов, автоматизации бухгалтерского учета малых и крупных фирм, экономического прогнозирования развития фирмы, анализа инвестиционных проектов, разработки технико-экономического обоснования финансовых сделок и т.п. Например, программы типа MS Money, МЕСА Software, MoneyCounts ориентированы на сферу планирования личных денежных ресурсов. В них предусмотрены средства для ведения деловых записей типа записной книжки и расчета финансовых операций.
Для расчета величины налогов можно использовать программы Turbo Tax for Windows, Personal Tax Edge.
С помощью программ Quicken, DacEasy Accounting, Peachtree for Windows можно автоматизировать бухгалтерский учет. Эту же функцию выполняет ряд отечественных программ: «Турбо-бухгалтер», «1C: Бухгалтерия», «Бухгалтер» фирмы «Атлант-Информ» и др.
Для аналитических исследований используются хорошо зареко-мендовавшие себя зарубежные статистические пакеты, такие, как
StatGraphics, Project-Expert или отечественная разработка Статистик- Консультант.
Интегрированные пакеты программ - по количеству наименований продуктов немногочисленная, но в вычислительном плане мощная и активно развивающаяся часть ПО.
Традиционные, или полносвязанные, интегрированные программные комплексы представляют собой многофункциональный автономный пакет, в котором в одно целое соединены функции и возможности различных специализированных (проблемно-ориентированных) пакетов, родственных в смысле технологии обработки данных на отдельном рабочем месте. Представителями таких программ являются пакеты Framework, Symphony, а также пакеты нового поколения Microsoft Works, Lotus Works.
В рамках интегрированного пакета обеспечивается связь между данными, однако при этом сужаются возможности каждого компонента по сравнению с аналогичным специализированным пакетом.
В настоящее время активно реализуется другой подход к интеграции программных средств: объединение специализированных пакетов в рамках единой ресурсной базы, обеспечение взаимодействия приложений (программ пакета) на уровне объектов и единого упрощенного центра-переключателя между приложениями. Интеграция в этом случае носит объектно-связанный характер.
Типичные и наиболее мощные пакеты данного типа: Borland Office for Windows, Lotus, SmartSute for Windows, Microsoft Office. В профессиональной редакции этих пакетов присутствуют четыре приложения: текстовый редактор, СУБД, табличный процессор, программы демонстрационной графики.
Особенностью нового типа интеграции пакетов является использование общих ресурсов. Здесь можно выделить четыре основных вида совместного доступа к ресурсам.
1. Пользование утилит, общих для всех программ комплекса. Так, например, утилита проверки орфографии доступна из всех программ пакета.
2. Применение объектов, которые могут находиться в совместном использовании нескольких программ.
3. Реализация простого метода перехода (или запуска) из одного приложения к другому.
4. Реализация построенных на единых принципах средств автоматизации работы с приложением (макроязыка), что позволяет организовать комплексную обработку информации при минимальных затратах на программирование и обучение программированию на языке макроопределений.
Механизм динамической компоновки объектов дает возможность пользователю помещать информацию, созданную одной прикладной программой, в документ, формируемый другой. Пользователь может редактировать информацию в новом документе средствами того продукта, с помощью которого этот объект был создан (при редактировании автоматически запускается соответствующее приложение). Запущенное приложение и программа обработки документа-контейнера выводят на экран гибридное меню для удобства работы специалиста. Кроме того, данный механизм позволяет переносить OLE-объекты из окна одной прикладной программы в окно другой.
В этой технологии предусмотрена также возможность общего ис-пользования функциональных ресурсов программ: например, модуль построения графиков табличного процессора может быть использован в текстовом редакторе. Недостатком данной технологии является ограничение формата графика размером одной страницы.
OpenDoc представляет собой объектно-ориентированную систему, базирующуюся на открытых стандартах фирм - участников разработки. В качестве модели объекта используется распределенная модель системных объектов (DSOM - Distributed System Object Model), разработанная фирмой IBM для OS/2. Предполагается совместимость между OLE и OpenDoc.
I Из главы рекомендуется запомнить
В Обеспечение эффективности информационных технологий и систем в решающей степени определяется программнотехническим оснащением, которое должно отвечать ряду требований. Программно-технические средства организуются на системной основе, что делает их использование более экономичным и надежным.
В Широкие возможности компьютеров разных классов и моделей позволяют реализовать любые конфигурации сложных сетевых информационных систем. Аппаратные характеристики ЭВМ влияют на выбор системного и прикладного программного обеспечения. Высокий уровень техники дает возможность использовать и более качественную программную продукцию с большим количеством функций. Развитие программного обеспечения автоматизированного рабочего места (АРМ) экономиста постоянно совершенствует функции пользователя, повышает производительность его труда, одновременно расширяя масштабы деятельности. Совокупный эффект от качества программно-технического оснащения множества АРМ сказывается на процессах управления организацией в целом, на ее доходности и стабильности функционирования.
Вопросы и задания для самоконтроля
1. Перечислите требования, предъявляемые к комплексу технических средств.
2. В чем состоят различия компьютеров разных видов и классов? Каковы особенности их применения?
3. Каково назначение серверов?
4. Использование каких средств кроме компьютеров позволяет реализовать коммуникационные информационные услуги?
5. Рассмотрите различия в назначении системных и прикладных программ.
6. Перечислите наиболее важные системные программы.
7. Назовите по степени распространения прикладные программы экономического профиля.
8. Каковы особенности программного обеспечения управленческой деятельности предприятий, малого бизнеса, формирования бизнес-планов9
9. Определите требования, предъявляемые к программному обеспечению АРМ.
10. Как классифицируется программное обеспечение АРМ?
11. Какие прикладные программы используются в банковской деятельности, в сфере менеджмента и маркетинга, финансового менеджмента, в торговой деятельности?
12. В чем состоит назначение прикладных программ класса СУБД?

Количество программ, которые устанавливаются на современном компьютере, насчитывает сотни и даже тысячи. Именно они дают возможность пользователю комфортно работать.

Определение 1

Вся совокупность программ и составляет так называемое программное обеспечение компьютера. Состав программного обеспечения компьютера − важнейшая его функциональная характеристика. Программное обеспечение (Software ) - это совокупность:

• программ постоянного использования, необходимых для решения задач пользователя,
• программ, позволяющих наиболее эффективно использовать вычислительную технику, обеспечивая пользователям наибольшие удобства в работе и минимум затрат труда на программирование задач и обработку информации,
• техническая программная документация для них.

Определение 2

Техническая документация − набор документов, используемых при проектировании и создании программного и аппаратного обеспечения. Программа для компьютера − описание алгоритма решения задач и, которое задаётся на языке программирования и при помощи транслятора автоматически переводится на машинный язык конкретного компьютера.

Программное обеспечение (ПО) − продолжение аппаратных средств, неотъемлемая часть компьютерной системы. Даже если программа, как кажется, никак не взаимодействует с оборудованием, не запрашивает ввод данных с устройства ввода и не выполняет вывод данных на устройства вывода, по сути, ее работа нужна для управления аппаратными устройствами компьютера.

В зависимости от того, какие работы предполагается выполнять на компьютере, подбирается состав программного обеспечения, или программная конфигурация. Большинство программ работают, опираясь на другие программы более низкого уровня, т.е. между ними существует взаимосвязь, или межпрограммный интерфейс. Такой интерфейс основывается на технических условиях и протоколах взаимодействия и обеспечивается распределением программного обеспечения на несколько категорий, которые взаимодействуют между собой.

Уровни ПО (cнизу вверх):

1. Базовое ПО – базовый уровень
2. Системное ПО – системный уровень
3. Прикладное ПО
4. Инструментарий технологий программирования

Каждый вышележащий уровень повышает функциональность всей системы.

Всё программное обеспечение можно условно поделить на четыре категории.

Базовое программное обеспечение – это минимальный набор программных средств, которые обеспечивают работу компьютера; отвечают за взаимодействие с базовыми программными средствами (входят в состав базового оборудования и хранятся в специальных микросхемах). Эти микросхемы носят название постоянное запоминающее устройство (ПЗУ – Read Only Memory). ПЗУ является энергозависимой памятью. Программы и данные записываются («прошиваются») в микросхемы ПЗУ на этапе производства, такие микросхемы не могут быть изменены в процессе сроков работы компьютера.

Рисунок 1.

Если есть необходимость в изменении базовых программных средств во время эксплуатации компьютера, то вместо микросхем ПЗУ используют микросхемы ППЗУ – перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства (Erasable and Programmable Read Only Memory). Тогда изменение содержания ППЗУ можно сделать в самой вычислительной системе (флэш-технология) или на специальном устройстве, которое называется программатором. К базовому программному обеспечению также относится BIOS (Basiс Input/Output System) − базовая система ввода-вывода), которая определяет ход процесса загрузки компьютера. Лишь только после этого происходит загрузка операционной системы персонального компьютера, и дальнейшая его работа происходит уже под управлением операционной системы. Во время работы компьютера BIOS обеспечивает базовые функции ввода-вывода информации и функции взаимодействия различных устройств между собой. Это набор микропрограмм, которые сначала тестируют (POST) оборудование, размещённое на материнской плате, потом осуществляют дальнейший запуск операционной системы и обеспечивают взаимодействие всех компонентов компьютера. В современных компьютерах некоторые платы (видеокарта, звуковая карта и т.п.) имеют свои микросхемы BIOS на материнской плате расширения (кроме основной микросхемы BIOS). При настройке основного BIOS можно разрешить или запретить использование BIOS плат расширения. В функции основной BIOS входят:

• тестирование компьютера с помощью специальных тестовых программ при включении питания;
• поиск и подключение к системе других BIOS, которые расположены на платах расширения;
• распределение ресурсов между компонентами компьютера.

Физически BIOS - это набор микросхем постоянной памяти (ROM, Read Memory − только для чтения), расположенных на материнской плате. Программы, содержащиеся в системной BIOS, обеспечивают взаимодействие микросхем чипсета, оперативной памяти, кэш-памяти, процессора с внешними (периферийными) устройствами, а также друг с другом. Когда происходит инициализация и тестирование оборудования, BIOS сравнивает полученные данные системной конфигурации и ту информацию, которая хранится в чипе CMOS. Если найдено несоответствие/сбой, то система выдает сообщение на мониторе или звуковой сигнал об ошибке. Чип CMOS расположен на материнской плате. Это энергозависимая память, которой нужно питаться от специальной батарейки.

Системное программное обеспечение (System Software ) - это программы и программные комплексы для работы компьютера и телекоммуникационного оборудования. Системное программное обеспечение служит:

• для создания операционной среды для работы других программ;
• для обеспечение надежной и эффективной работы компьютера и телекоммуникационной сети;
• для проведения диагностики аппаратуры компьютера и сетей;
• для архивирования данных, копирования, восстановления файлов программ и баз данных и т.п.

Системное программное обеспечение (СПО) по сути выполняет функции «организатора» всех компонентов ПК, а также подключенных к нему периферийных устройств. Системное программное обеспечение должно быть надежным, технологичным, удобным и эффективным в использовании. Подразделяется СПО на базовое и сервисное.

Рисунок 2.

Базовое программное обеспечение, как правило, приобретается вместе с компьютером, а сервисное может быть приобретено дополнительно.

Прикладное программное обеспечение (appliation program pakage ) − комплекс связанных между собой программ, предназначенных для решения конкретных задач определённой предметной области, написаны для пользователей или самими пользователями, например, экспертная система или программа создания списков рассылки. Это самый многочисленный класс программных продуктов.

Инструментарий технологий программирования (ИТП) облегчает процесс создания новых программ для компьютера. С помощью ИТП выполняется разработка новых программ, т.к. данный инструментарий содержит специализированные программные продукты. Эти продукты являются инструментальными средствами разработчика и должны поддерживать все технологические этапы процесса создания (проектирование, программирование, отладку и тестирование) новых программ. Система программирования включает в себя следующие программные компоненты: редактор текста, транслятор с соответствующего языка, компоновщик (редактор связей), отладчик, библиотеки подпрограмм. Важно знать и понимать, что любой ИТП может работать только в той ОС, под которую он создан, но при этом он позволяет разрабатывать программное обеспечение и под другие ОС.

ИТП делится на следующие подкатегории:

1. Средства для создания приложений. Они включают в себя интегрированные среды для разработчиков программ, необходимые для выполнения работ по созданию программ, и локальные средства, которые нужны для выполнения отдельных работ по созданию этих программ;
2. СASE-технологии (Сomputed Aided Software Engineering) – это система-конструктор программ с помощью компьютера, в которую входят методы анализа, проектирования и создания программных систем. Предназначены СASE-технологии для автоматизации процессов разработки и реализации информационных систем. Это целый программный комплекс, который автоматизирует весь технологический процесс (анализ, проектирование, разработка и сопровождение сложных программных систем).

При составлении классификации сразу оговоримся, что очень быстрое развитие вычислительной техники и расширение сфер применения компьютеров повлекли за собой процесс эволюции ПО. Если раньше можно было легко распределить между основными категориями программного обеспечения операционные системы, трансляторы и пакеты прикладных программ, то сейчас совсем иная ситуация: развитие ПО пошло и вширь (прикладные программы приобрели самостоятельную ценность и перестали быть прикладными), и вглубь (появились совсем новые подходы к построению операционных систем и т.д).

Соотношение между необходимыми и имеющимися на рынке программными продуктами меняется очень быстро. Даже традиционные программные продукты непрерывно развиваются. Например, операционные системы могут моделировать те виды человеческой деятельности, которые всегда считались интеллектуальными. Появились программы, классифицировать которые по привычным критериям сложно, а порой и невозможно, программа − электронный собеседник, например, или компьютерное зрение, которое связано ещё и с робототехникой, или область машинного обучения, к которой относится достаточно большой класс задач на распознавание образов (распознавание символов, рукописного текста, речи, анализ текстов).

Замечание 1

Можно сказать, что на сегодняшний день более или менее определённо можно выделить следующие группы ПО:

• операционные системы и их оболочки (текстовые или графические);
• системы программирования (отладчики, трансляторы, библиотеки подпрограмм и т.д.);
• инструментальные технологические системы;
• интегрированные программные пакеты;
• системы машинной графики (растровая, векторная, 3D-графика, САПР);
• динамические электронные таблицы;
• системы управления базами данных (СУБД).

В заключение можно сказать, что почти всякая классификация не является единственно возможной.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Предисловие

В настоящее время предприятия (фирмы) активно используют вычислительную технику для ведения бухгалтерского учета, финансового анализа, контроля выполнения заказов и договоров, подготовки деловых документов, управления документооборотом, принятия управленческих решений, электронной коммерции. При этом возрастает потребность в квалифицированных специалистах экономического профиля, обладающих высоким уровнем знаний в области информатики, легко адаптирующихся к состоянию быстро изменяющегося рынка технического и программного обеспечения вычислительной техники, в первую очередь персональных ЭВМ (ПЭВМ). В этой связи цель дисциплины «Экономическая информатика и информационные технологии» - подготовка студентов экономических специальностей к эффективному использованию современных информационных технологий в будущей профессиональной деятельности.

Основные задачи дисциплины:

Освоение основных понятий информации, как ресурса в современном обществе и способов управления информационными ресурсами,

Изучение основных этапов технологии обработки экономической информации (способы сбора, обработки, хранения и представления результатов),

Решение типовых экономических задач с использованием табличных процессоров, СУБД и интегрированных пакетов,

Приобретение кругозора в области сетевых компьютерных технологий обработки данных.

Раздел 1. Введение в экономическую информатику

Тема 1. Основные понятия информатики

1.1 Информация: классификация информации, свойства информации

Изучение любой дисциплины начинается с формулировки определений ее фундаментальных терминов и категорий. Особенностью термина «информация» является то, что с одной стороны, он является интуитивно понятным практически для всех, а с другой - общепризнанной его трактовки в научной литературе не существует. Термин информация происходит от латинского information, что означает «изложение, разъяснение». Существует несколько определений понятия информация. Информация - совокупность фактов, явлений, событий, представляющих интерес, подлежащих регистрации и обработке. По К.Шеннону (Клод Шеннон - американский инженер и математик, родоначальник теории информации), информация - это снятая неопределенность. Таким образом, в широком смысле - информация - это отображение реального мира; в узком смысле - это сведения о чем-либо; это любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования; это новые сведения об объекте, принятые, понятые и оцененные как полезные конечным потребителем. Следует различать такие понятия как информация, данные и знания. Данными называется информация, представленная в удобном для обработки виде, т.е. это все то, что может быть представлено на некотором носителе в определенной форме (на бумаге в виде цифр, на магнитных лентах и дисках в виде намагниченных участков и т.д.). Из данных извлекается необходимая информация. Данные можно рассматривать как сырье для производства информации. В результате обработки данные приобретают смысл и становятся информацией. Знания - это информация, на основании которой реализуется процесс логического вывода, это проверенный практикой результат познания действительности, т.е. это высшая форма информации.

Классификация информации

Информация может быть классифицирована по различным признакам:

· по форме представления различают символьную (основанная на использовании символов - букв, цифр, знаков), текстовую (тексты - символы, расположенные в определенном порядке), графическую (различные виды изображений), звуковую (упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях и в твердых телах, воспринимаемые ухом человека и животных);

· по способу представления информация бывает аналоговой - непрерывной (звук, видеоизображения, электрический ток, напряжение) и дискретный (цифровой). Дискретная информация базируется на ряде фиксированных уровней ее представления. Скажем, свет может гореть в окне или не гореть - два уровня. Если этих уровней много, можно говорить о цифровом представлении информации, например, можно говорить о здании с тремя или пятью этажами. Аналоговая информация - непрерывная. Звук к примеру может быть разной громкости и высоты (частоты). Эти параметры непрерывно и плавно меняются. Однако, если задать их рядом дискретных (т.е. постоянных на хотя бы небольшом отрезке времени значений, то можно и аналоговую свести к цифровой. К примеру, популярные сейчас звуковые оптические компакт-диски содержат записи речи и музыки в цифровой форме. Примерно 44 000 раз в секунду берется выборка звукового сигнала и представляется (квантуется) большим числом уровней - порядка 65 000;

· по области знаний и применения - научная, техническая, правовая, производственная, управленческая, экономическая и др.

Информация, которая обеспечивает производство, распределение, обмен и потребление материальных благ и решение организационно-экономического управления, называется управленческой. Важнейшей составляющей управленческой информации является экономическая информация

Экономическая информация - совокупность данных, используемых при осуществлении функций организационно-экономического управления экономикой государства и ее отдельными звеньями.

Информация в современном обществе рассматривается как стратегическое сырье наравне с материальными, энергетическими, людскими и другими ресурсами. Более того, по мнению ведущих ученых мира, начался переход промышленно развитых стран из века энергетики в век информации, о чем свидетельствуют такие факты:

1) время удвоения накопленных научных знаний составляет 1 год,

2) материальные затраты на хранение, передачу и переработку информации превышают аналогичные затраты на энергетику,

3) человечество стало наблюдаемым из космоса - уровень радиоизлучения Земли приближается к уровню радиоизлучения Солнца.

Таким образом, информация является единственным неубывающим ресурсом жизнеобеспечения. Информационный ресурс это организованная совокупность документированной информации, включающая базы данных, знаний, другие информационные массивы во всех областях деятельности.

Свойства информации

Объективность и субъективность. Информация может быть объективной и субъективной. Та информация, которая отражает явления и объекты материального мира, является объективной. Информация, которую создают люди (то есть субъекты), является объективной. Так, сообщение о том, что Казахстан граничит с Китаем, объективно. С другой стороны, информация о том, что специальность «Информационные системы в экономике» лучше чем специальность «Математические методы в экономике», субъективна, поскольку никакой объективной меры измерения преимущества одной специальности от другой нет.

Полнота информации определяет достаточность данных для принятия решений или создания новых данных на основе имеющихся.

Достоверность информации. Существует необходимость отделения полезной информации от посторонней (от помех, шума и других искажений).

Адекватность информации - это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образоваться на основе неполных и недостоверных данных.

Актуальность информации - соответствие текущему моменту времени. Достоверная, но устаревшая информация может привести к ошибочным решениям.

В ходе информационного процесса данные преобразуются из одного вида в другой с помощью различных методов обработки. Обработка данных включает в себя множество операций. В структуре возможных операций с данными можно выделить следующие основные:

· сбор данных - накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решений;

· формализация данных - приведение данных, поступающих из различных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой;

· фильтрация данных - отсеивание «лишних» данных, в которых нет необходимости для принятия решений;

· сортировка данных - упорядочение данных по заданному признаку, с целью удобства использования, что повышает доступность информации;

· архивация данных - организация хранения данных в удобной и легко доступной форме, служит для снижения экономических затрат по хранению данных (экономия памяти) и повышает общую надежность;

· защита данных - комплекс мер направленных на предотвращение утраты, несанкционированного воспроизведения и модификацию данных;

· транспортировка данных - прием и передача данных между удаленными участниками информационного процесса, при этом источник данных принято называть в информатике сервером, а потребителя - клиентом;

· преобразование данных - перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую.

Таким образом, обработка данных имеет огромную трудоемкость, которую необходимо автоматизировать.

1.2 Основные понятия: информационная система, информационные технологии, информатика, кибернетика

Информационная система (ИС) - система, реализующая сбор, хранение, обработку и манипулирование данными. Любое предприятие можно рассматривать как ИС, состоящую из элементов, связей между ними, по которым циркулирует некоторая информация, определенным образом представленная, перерабатываемая, передаваемая.

ИС функционирует на базе некоторой информационной технологии (ИТ). В понятие ИТ входят все устройства, носители информации, методы хранения, переработки, принципы обмена информацией.

Информационные технологии - это технологии, ориентированные на получение, обработку и распространение информации. Например, ИТ предприятия 60-70 -х годов прошлого века строились на базе телефона, почты, устных сообщений и т.д. ИТ начала прошлого века - курьеров, посыльных и т.д. ИТ современного этапа - на основе электронной почты, факсов, пейджинговой связи, электронных сетей и т.д.

Огромное количество информации, циркулирующей в современном человеческом обществе, невозможно переработать без ЭВМ, обеспечивающей достоверность, точность и своевременность, т.е. ЭВМ позволяет снимать, так называемый, информационный барьер (составляющие информационного барьера: коммуникативный - искажение и потеря информации при переработке в информационных системах; межъязыковой - представление информации на различных национальных языках; географический - отдаленность стран и континентов; и, наконец, рассеяние информации - публикация материалов в тематически непрофильных для исследуемой отрасли знаний изданиях).

Работа по снятию информационного барьера в конечном счете привела к выделению самостоятельной научной дисциплины - информатики. Термин «информатика» (informatique) введен во Франции в 1960-х годах, образован путем слияния слов: information (информация) и automatique (автоматика), для обозначения области, занимающейся автоматизированной обработкой информации. Существует множество определений данного понятия. Приведем одно из них.

Информатика - наука о методах, средствах обработки информации и решения задач на ЭВМ. Надо сказать, что термин «информатика» не является общепризнанным в области научного знания, в частности, в США для названия данной сферы чаще используется понятие «computer science» или просто «computing»

Говоря об информатике, нельзя обойти молчанием и кибернетику, тем более что кафедра, ведущая курс «ЭИ и ИТ» является кафедрой «Экономической кибернетики и компьютерных технологий». Кибернетика - это наука, занимающаяся изучением автоматизированного управления в сложных динамических системах. Год рождения и отец кибернетики -1948, Норберт Винер. Кибернетика занимается разработкой теории управления, а информатика занимается изучением процессов преобразования и получения информации.

Раздел 2. Техническое обеспечение ПЭВМ

Тема 2. Техническ ие устройства компьютера

2.1 Общие сведения об ЭВМ

2.1.1 Определение и функциональные характеристики ПК

ЭВМ - это комплекс устройств предназначенных для автоматизации процесса алгоритмической обработки информации и вычислений.

Совокупность значимых для пользователя сведений об ЭВМ (функциональная и структурная организация, характеристики и параметры, влияющие на вычислительный процесс) называют архитектурой компьютера.

Характеристики, определяющие архитектуру:

Технические и эксплуатационные характеристики (ТЭХ): производительность (количество операций в секунду), емкость памяти, габаритные размеры, потребляемая мощность, стоимость и др.;

Характеристика и состав функциональных модулей ЭВМ, наличие возможности подключения дополнительных модулей;

Состав программного обеспечения ЭВМ и принципы его взаимодействия с техническими средствами.

Компьютеры, как и люди, имеют свои поколения. Смена поколений компьютеров происходит примерно через каждые 10 лет, начиная с 1945 года, когда был изобретен первый компьютер, причем названные выше ТЭХ отличаются от поколения к поколению примерно в 10 раз в сторону улучшения (к примеру, размеры уменьшаются, производительность увеличивается). Каждое новое поколение компьютеров отличается от предыдущего элементной базой (соответственно поколения: ламповые, транзисторные, на интегральных схемах - ИС, больших интегральных схемах - БИС, и сверхбольших интегральных схемах -СБИС).

2.1.2 Принципы построения и структурная схема ЭВМ фон-неймановского типа

Знаменитый математик Джон фон Нейман, разработавший первые ЭВМ в 1945 г. описал, как должен быть устроен компьютер. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Большинство современных ПК в основных чертах соответствует этим принципам. Прежде всего, ЭВМ должна иметь следующие устройства:

Арифметико-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметические и логические операции;

Устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ;

Запоминающее устройство (ЗУ) или оперативная память (ОП) для хранения программ и данных;

Внешние устройства (УВВ) для ввода-вывода информации.

На рис. 2.1. приведены устройства компьютера и связи между ними (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные - информационные). В современных компьютерах АЛУ и УУ, как правило, объединены в единое устройство - центральный процессор (ЦП).

Рис.2.1. Обобщенная структурная схема ЭВМ фон-неймановского типа.

Программа, по которой машина выполняет некоторый процесс обработки данных, распадается на множество мелких составных частей, называемых командами. Каждая команда определяет элементарную частичку процесса обработки данных - машинную операцию. Как и у всего процесса, у каждой операции есть свои исходные данные, называемые ее операндами, и свой результат. Результат операции вырабатывается в зависимости от операндов по точно определенным для данной операции правилам, заложенных в конструкцию машины. Для разных операций эти правила различны (в современных машинах эти правила именуются микропрограммами), в остальном же выполнение любой машинной операции (так называемый элементарный цикл или такт работы машины) происходит по одной и той же схеме и складывается из следующих действий:

1. Из ОП в устройство управления поступает (считывается) очередная команда.

2. Устройство управления анализирует команду и определяет тип операции.

3. В АЛУ выбираются операнды операции. Обычно операнды считываются из ОП, но для некоторых операций содержатся в самой команде.

4. В АЛУ по сигналам, поступающим из устройства управления, вырабатывается результат операции.

5. Результат, как правило, записывается в запоминающее устройство. Для некоторых типов операций может быть передан в устройство управления или остаться в АЛУ, с тем, чтобы им могли воспользоваться последующие операции.

6. Определяется, какая команда должна выполняться следующей, после чего можно вернуться к началу цикла.

Эта упрощенная схема работы машины, для разных мошин возможны различные отступления от этой общей схемы.

ПК нынешнего этапа относятся к 4-му поколению микро-ЭВМ и строятся по принципу ТРЕХ-М, т.е. означающие - малогабаритность, микропрограммируемость и модульность. Модульность или принцип открытой архитектуры означает, что электронная схема ПК состоит из нескольких модулей - электронных плат, что упрощает подключение устройств друг к другу, а также позволяет подключать новые устройства по мере необходимости и возможности.

2.1.3 Классификация ЭВМ

1) По назначению (ранняя классификация) - большие ЭВМ, мини-ЭВМ, микро-ЭВМ, и ПК, которые в свою очередь подразделяются на профессиональные и бытовые.

2) По уровню специализации компьютеры делят на универсальные и специализированные. Специализированные компьютеры предназначены для решения конкретного круга задач. К таким компьютерам относятся, например, бортовые компьютеры автомобилей, судов, самолетов, космических аппаратов; другие компьютеры ориентированы на работу с графикой Специализированные компьютеры, объединяющие компьютеры предприятия в одну сеть, называют файловыми серверами; а во всемирной сети - сетевыми серверами.

3) По типоразмерам. ПК делятся на настольные (desktop), портативные (notebook) и карманные (palmtop).

4) По совместимости - рассматриваются аппаратная совместимость и программная совместимость компьютеров.

5) По типу используемого процессора (основные типы процессоров будут рассмотрены в соответствующей теме).

2.2 Определение и типовой комплект ПЭВМ (ПК)

ПЭВМ (ПК) - микропроцессорная система обработки данных с дружественным пользовательским интерфейсом.

Персональный компьютер является настольной универсальной ЭВМ индивидуального применения.

Ее отличительные особенности:

Компактность и экономичность, обеспечивающие массовое применение;

Несложная операционная система, предоставляющая пользователям простые и удобные средства доступа с ресурсами компьютера и средствам управления решения задач;

Язык программирования высокого уровня, позволяющий проектировать интерактивные процедуры обработки данных;

Телекоммуникационные средства, обеспечивающие подключение ПК к сетям ЭВМ и соответственно доступ к отраслевым, региональным, национальным и международным информационным ресурсам.

Комплектность поставляемой ПЭВМ может быть различной и определяется потребностями (или возможностями) пользователей. Типовой комплект ПЭВМ составляют четыре конструктивных блока: системный блок и внешние устройства - дисплей, клавиатура и манипулятор «мышь».

2.2.1 Структура ПК

ПК состоит, таким образом, из системного блока и внешних устройств.

2.2. 1.1 Системный блок ПК

Системный блок реализует все основные процессы по переработке информации, осуществляя хранение программ и данных, управляет работой всех блоков, обеспечивая их системное взаимодействие. Возможности ПК во многом определяются начинкой системного блока. Он содержит: системную материнскую плату (состав которой будет рассмотрен ниже), контроллеры внешних устройств, внешнюю память - накопитель на жестких магнитных дисках, дисководы для гибких магнитных дисков и пр.

Корпусы системного блока могут существенно различаться габаритами и ориентацией максимального размера: вертикальной (Tower - «башня», Bigtower, Miditower, Minitower, Babytower) и горизонтальной (Desktop - «настольный», Slim - «плоский»). Чем меньше корпус ПК, тем сложнее его модернизировать и ремонтировать.

Задняя панель имеет разъем для подключения питания и несколько разъемов на 5, 9, 15 и 25 контактов для подключения внешних устройств. Соединители имеют уникальную форму, обеспечивающие однозначное подключения к ним.

Структурная схема системного блока представлена на рис. 2.2.

На системной плате располагаются различные по форме и величине интегральные схемы следующих элементов:

· микропроцессор (МП);

· сопроцессор;

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.2. Состав системного блока

· внутренняя память машины: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);

· генератор тактовых импульсов;

· устройство управления;

· контроллер клавиатуры.

В зависимости от производителей системные платы могут отличаться друг от друга, однако основной состав остается (могут отсутствовать сопроцессор, или присутствовать дополнительная КЭШ память и т.д.).

Главным элементом (мозгом) ПК является микропроцессор. Микропроцессор - устройство, реализующее все основные операции по обработке информации и управлению, выполненное в виде небольшой интегральной схемы (габаритом со спичечную коробку).

Скорость работы микропроцессора определяет быстродействие ПК. МП отличаются друг от друга типом (моделью) и тактовой частотой. Тактовая частота указывает, сколько элементарных операций (тактов) выполняется в одну секунду и измеряется в мегагерцах (МГц). Чем выше модель МП тем выше быстродействие при той же тактовой частоте, так как одна и та же операция выполняется за меньшее количество тактов.

В истории развития МП (фирмы Intel - основного производителя МП) выделяются 7 поколений представленных в таблице 1.

Сопроцессор - устройство обеспечивающее повышение быстродействия ПК (в 10-15 раз). Работает не всегда, а только по мере необходимости.

Внутренняя память машины состоит из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ, ПП - постоянная память или ROM - Read Only Memory) и оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП - оперативная память или RAM - Read Access Memory).

ПЗУ содержит программы и данные, определяющие работу ПК после включения питания. Информация в ПЗУ записывается на заводе изготовителе и не может быть изменено пользователем (т.е. информация с нее только считывается). В ПЗУ хранятся следующие программы:

Таблица 2.1. Сравнительные характеристики МП фирмы Intel

Поколение МП		Год выпуска	Тактовая частота	Встроенная КЭШ память	Разрядность	Адресуемая память
	Pentium Pro, Pentium II, Pentium II,III Xeon
				2 Мб и выше		40 Гб и выше

· самотестирование устройств компьютера после включения питания;

· начальной загрузки операционной системы и опрос клавиатуры - начальную подготовку ПК к работе;

ОЗУ - энергозависимая память (информация с нее стирается после выключения машины) для оперативной работы с информацией пользователю (для хранения программ, исходных данных и результатов обработки).

Микросхемы памяти ставятся на небольшие платки называемые модулями SIMM, DIMM, RIMM (время доступа от 70-100 нс).

Как ранее отмечалось, технология изготовления микропроцессоров постоянно совершенствуется, их быстродействие растет, это требует в свою очередь увеличения быстродействия ОП. Для этого используют так называемую КЭШ (СОЗУ - сверхоперативное запоминающее устройство) - память повышенного быстродействия, в которой хранятся наиболее часто используемые участки ОП (время доступа 10-20 нс). КЭШ-память находится между ОП и МП. СОЗУ бывает трех уровней: L1, L2 и L3. Первый уровень располагается на кристалле самого микропроцессора (начиная с 486-го); второй уровень на системной плате либо внутри картриджа микропроцессора (начиная с Pentium II и Pentium Pro); третий уровень - это кэш-память, образованная выделением и использованием некоторой части обычного ОЗУ специальными системными программами.

Контроллеры и шина данных. Для работы ПК необходим непрерывный обмен информацией между устройствами ПК вообще, а также между ОП и внешними устройствами. Такой обмен называется вводом - выводом. Для организации такого обмена необходимы два промежуточных звена:

1) для каждого внешнего устройства имеется специальная микросхема - контроллер или адаптер, которая управляет соответствующим внешним устройством программно (с помощью программы -драйвера).

2) все котроллеры и адаптеры взаимодействуют с ОП и микропроцессором через системную магистраль данных - шину данных.

Совокупность этих двух звеньев образуют интерфейс ввода-вывода - программные и аппаратные средства ввода-вывода.

Шина данных это системная магистраль передачи микро-адресов, данных и управляющих сигналов внутри ПК, состоящая из проводников (полосковые линии передачи), и осуществляющая обмен информацией между МП и ОП, а также между контроллерами и адаптерами внешних устройств. Число проводников в шинах ПК задает разрядность шин.

2.2. 1.2 Внешние устройства ПК

Внешние устройства по назначению делятся на четыре группы:

1) устройства хранения данных,

2) устройства ввода данных,

3) устройства вывода данных,

4) устройства обмена данными.

Опишем назначение и состав каждого из перечисленных групп внешних устройств.

1) Устройства хранения данных - внешняя память. Роль памяти в ПЭВМ трудно переоценить. Основное назначение - хранить большие массивы программ и данных, воспринимать (записывать) и выдавать (считывать) необходимую информацию с предельно возможной скоростью. Память компьютера состоит из некоторого количества пронумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обрабатываемые данные, или инструкции программ - команды. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств машины. Единицами объема памяти являются бит и байт. Бит - минимальный объем памяти способный хранить одну двоичную цифру - 0 или 1. Байт - 8 бит, минимально возможный объем памяти, способный хранить один символ (букву, цифру и другие др.) Это исходит из американского стандарта ASCII (American Standard Code for Information Interchange), который требует 8 битов для представления любого символа. Для измерения больших объемов памяти используются следующие измерения:

1 Кб (килобайт) =1024 байт = 2 10 байт,

1 Мб (мегабайт) = 1048576 байт = 1024 Кб = 2 10 Кб,

1 Гб (гегабайт) = 1073741824 байт = 1024 Мб =2 10 Мб,

1 Тб (терабайт) = 1024 Гб =2 10 Гб.

В связи с тем, что разные устройства ПК работают с разным быстродействием, существует и иерархия памяти: внутренняя память, внешняя память и архив (рис.2.3.).

Задача внутренней памяти, которая состоит из ПЗУ, ОЗУ и СОЗУ (кэш-памяти), обеспечить оперативность работы машины. Она представлена набором микросхем, свойства которых поддерживаются своими технологиями. Оперативная память, как уже известно - энергозависима и имеет относительно небольшой объем, хотя имеет постоянную тенденцию к увеличению как видно из таблицы 1.

Внешняя память «питает» внутреннюю. Внешняя память осуществляет длительное хранение больших массивов данных. Внешнюю память составляют НЖМД - накопители на жестких магнитных дисках, НГМД - накопители на гибких магнитных дисках и НОД - накопители на оптических дисках.

НГМД имеет дисковод и магнитный диск. Важные характеристики диска - это диаметр (размер - измеряется в дюймах) и плотность записи. Типовые размеры - 3,5"" и 5,25"", кроме того существуют 2,5 и 1,8 дюймовые диски. Для каждого из них, разумеется, есть свои дисководы. Дисковод (иногда его называют приводом) обеспечивает запись и считывание информации на диске с помощью специальной магнитной головки. Гибкий магнитный диск (флоппи-диск, дискета) представляет собой пластину с магнитным покрытием, помещенную в пластиковый чехол. Хранителем информации является магнитное покрытие. Пластмассовый чехол обеспечивает защиту покрытия от механических воздействий. В трехдюймовых дисках щель для магнитной головки защищена от рук пользователя металлической шторкой. Работать с диском можно только после того, как на нем создана определенная магнитная структура. Процесс создания магнитной структуры на диске называется форматированием.

В результате форматирования на диске формируются дорожки, намагниченные определенным образом и сгруппированные по концентрическим окружностям частицы магнитного слоя. Дорожки делятся на части, снабженные адресными метками, позволяющими в дальнейшем осуществить поиск информации. Такие части называют секторами.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2.3. Иерархия памяти ПК

Они являются основной единицей объема внешней памяти, выделяемого для хранения данных, т.к. независимо от объема записываемой/считываемой информации при обращении к диску записывается/считывается целое число секторов. Нумерация поверхностей и дорожек начинается с нуля, а секторов - с единицы. Стандартная емкость диска отражает его тип, указанный на этикетке. У 3,5 дюймовых дисков, наиболее популярных в настоящее время емкость составляет - 1,4 Мб. Для увеличения плотности записи используются современные технологии, такие как применение лазерного луча для точного позиционирования магнитной головки устройства, эффекта Бернулли для бесконтактного способа записи/чтения, при этом емкость увеличивается до 100-200 Мб.

НЖМД типа «винчестер» (hard) имеет дисковод и диски. предназначены для постоянного хранения информации, используемой при работе с ПК: программ операционной системы (ОС), часто используемых программ пользователя, различных приложений. НЖМД представляют собой систему, состоящую из привода, головок чтения/записи, нескольких дисков-носителей и контроллера, обеспечивающего работу всего устройства и передаче данных. Магнитная головка (несколько магнитных головок в специальном позиционере) является одной из наиболее важных частей устройства. Конструкция ее постоянно совершенствуется. Различают следующие типы: монолитные, изготовленные из ферритов; композиционные, состоящие из нескольких видов материалов (стекло, сплавы, керамика); тонкопленчатые, изготавливаемые методом фотолитографии; магниторезистивные, состоящие из двух головок - для записи и для чтения. Каждый из дисков имеет две рабочие поверхности. Скорость вращения дисков может быть: 3600, 4500, 5400,7200,10000,12000 об/мин. С увеличением скорости вращения увеличивается производительность всей системы. Винчестер, также как и гибкие диски, форматируется. К основным параметрам винчестера относятся: среднее время доступа (в современных ПК приблизительно 5-6 мс), скорость обмена данными (в современных ПК приблизительно от 20 до 160 Мб/с в зависимости от интерфейса).

Накопители на оптических дисках (НОД). Принцип работы всех существующих ныне НОД основан на использовании лазерного луча для записи и чтения информации. В процессе записи лазерный луч (модулированный цифровым сигналом) оставляет на активном слое оптического носителя след, который затем можно воспринять по отражению «читающего» лазерного луча меньшей интенсивности.

Такие накопители по кратности записи информации пользователем делятся на три класса: незаписываемые, с однократной записью и перезаписываемые. Незаписываемые - CD-ROM - обеспечивают многократное использование записанной на них еще в процессе изготовления информации. На диск нанесена дорожка-спираль от центра к краю диска, состоящая из отражающих и не отражающих свет точек. Скорость считывания до 150 Кб/с, емкость - 650 Мб. НОД с однократной записью - CD-R (Recordable), WORM-диски - луч лазера прожигает пленку на поверхности диска, меняя отражательную способность. Перезапись невозможна. Такие диски читаются на любом приводе CD-ROM. Перезаписываемые - DVD-RAM, (Digital Versatile Disk - цифровой многофункциональный диск) - «цифровые бумаги», имеют такие же размеры как CD-диск: его диметр 120 мм, толщина 1,2 мм. Может быть как односторонним (емкость - 2,58 Гб), так и двухсторонним (емкость - 5,2 Гб). Срок гарантированного хранения записанной на НОД информации, согласно официальным оценкам, составляет сто лет. Причем можно хранить информацию представленном в любом виде: текст, графику, звук, видеофильмы. Перезаписываемые НОД в свою очередь делятся на оптические и магнитооптические (МО). Магнитооптические имеют еще более лучшие характеристики: емкость 4,6 Гб, скорость обмена данными - 48 Мбит/с (тот же параметр для DVD и CD составляет 10,8 и 1,41 Мбит/с соответственно), в время доступа 17 мс. Такие параметры приближают МО-накопитель к современным моделям накопителей на жестких дисках.

В настоящее время широко развиваются технологии флэш-памяти. Немного поподробнее об этой технологии. Бытует мнение, что название FLASH применительно к типу памяти переводится как «вспышка». Одна из версий его появления говорит о том, что впервые в 1989-90 году компания Toshiba употребила слово Flash в контексте «быстрый, мгновенный» при описании своих новых микросхем. Вообще, изобретателем считается Intel, представившая в 1988 году флэш-память с архитектурой NOR (NOR -- Not OR -- в булевой математике обозначает отрицание «ИЛИ»). Годом позже Toshiba разработала архитектуру NAND (NAND -- Not AND -- в той же булевой математике обозначает отрицание «И»), которая и сегодня используется наряду с той же NOR в микросхемах флэш. Собственно, сейчас можно сказать, что это два различных вида памяти, имеющие в чем-то схожую технологию производства.

Флэш-технология позволяет оснастить системную память уникальными свойствами. Подобно ОЗУ, флэш-память модифицируется электрически внутрисистемно, но подобно ПЗУ, флэш энергонезависима и хранит данные даже после отключения питания. Однако, в отличие от ОЗУ, флэш нельзя переписывать побайтно. Флэш-память читается и записывается байт за байтом и предъявляет новое требование: ее нужно стереть перед тем, как записывать новые данные. Запись (программирование) флэш-памяти - это процесс замены "1" на "0". Стирание - это процесс замены "0" на "1", где флэш стирается блок за блоком. Блоки - это области с фиксированными адресами.

NAND-флэш нашел применение в качестве хранителя больших объемов информации и для ее переноса. Наиболее распространенные сейчас устройства, основанные на этом типе памяти, это флэшдрайвы и карты памяти. Что касается NOR-флэша, то чипы с такой организацией используются в качестве хранителей программного кода (BIOS, RAM карманных компьютеров, мобильных телефонов и т.п.), иногда реализовываются в виде интегрированных решений (ОЗУ, ПЗУ и процессор на одной мини-плате, а то и в одном чипе).

В настоящее время создан Memory Stick на основе технологии флэш-памяти, весит всего 4 г и по размеру не больше пластинки жевательной резинки. В то же время он чрезвычайно прочен и надежен. Модули памяти Memory Stick используются в видеокамерах, цифровых фотоаппаратах, персональных компьютерах, принтерах и других электронных устройствах.

Стримеры - накопители на магнитных лентах, используются, когда необходимо записать большие объемы информации при создании архивных копий. Современные стримеры используют кассеты (картриджи) с магнитной лентой. Емкость картриджей от 250Мб до 35 Гб в зависимости от технологии изготовления.

2) Устройства ввода данных. Клавиатура является одним из основных устройств ввода данных в ПЭВМ. Принцип действия клавиатуры достаточно прост: совокупность датчиков воспринимает давление на клавиши и замыкает тем или иным образом определенную электрическую цепь. Контроллер клавиатуры (читающий сигналы) находится на системной плате системного блока. Наиболее распространены два типа клавиатур: с механическими и мембранными переключателями. Стандартная клавиатура подключается к системному блоку с помощью О-образного (круглого) 5-контактного разъема. Манипулятор мышь также относится к устройством ввода. Различают механические и оптические мыши. В днище механических мышей монтируется маленький шар. При перемещении мыши шар вращается. Движение световой метки (указателя мыши) - есть сумма векторов движения мыши по осям координат, таким образом, осуществляется «привязка» перемещения мыши по столу, с перемещением световой метки по экрану. Механические мыши могут работать практически на любой поверхности, но лучше всего - на специальном коврике. Оптические мыши работают только на клетчатом коврике. Клетка на коврике - это координатная сетка. Луч света, пересекая линии, отсчитывает величину и направление перемещения. Такие мыши весьма требовательны к чистоте коврика. Важным параметром мыши является разрешение. Оно определяется числом импульсов, генерируемых электроникой мыши при перемещении манипулятора на единицу длины, и измеряется в точках на дюйм (dpi - dot per inch). Мышь обычно подключается к системному блоку посредством 9- или 25-контактного D-образного штырькового разъема системного блока. Есть и беспроводные мыши, но они мало распространены.

Дополнительным устройством ввода может являться сканер. Сканер - оптико-электронное считывающее устройство, обеспечивающее ввод текстов и других плоских изображений в машину. Обычно сканеры характеризуются разрешающей способностью (степень детализации воспринимаемого изображения); количеством воспринимаемых оттенков черного и белого (штриховые и полутоновые сканеры) либо цветовой гаммы (цветные); размером обрабатываемых изображений; стоимостью. В основе работы сканера лежит принцип преобразования луча, отраженного от данной точки оригинала в цифровой код, воспринимаемый машиной либо как код светового оттенка (интенсивность) в черно-белых сканерах, либо как код цвета - в цветных. Поэтому в сканере есть источник света, чувствительные датчики и преобразователи.

3)Устройства вывода данных включают видеосистему и принтеры. Видеосистема ПК состоит из видеоадаптера, размещаемого на системной плате, и дисплея. Видеоадаптер, включающий в себя видеопамять и специализированный процессор, предназначен для преобразования информации от ПК в обычные видеосигналы для дисплея. Видеоадаптер располагается на отдельной плате и устанавливается в системном блоке. Дисплей подключается к видеоадаптеру специальным кабелем через разъем, установленный сзади платы видеоадаптера.

Основные параметры видеоадаптера (таблица 2.2.):

1) разрешающая способность в пикселях по горизонтали и вертикали,

2) режимы работы (текстовый и графический - существует у всех современных адаптерах; в текстовом режиме экран обычно разбит на 25 строк по 80 символов и имеет, следовательно 2000 знакомест; в графическом режиме экран представлен множеством пикселей),

3) число цветов,

4) возможность программной загрузки шрифтов (существует у всех современных адаптерах).

Технические характеристики монитора - размер экрана (14-, 15-, 17-, 19- дюймовые), масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость.

Таблица 2.2. Характеристики видеоадаптеров.

Принтеры - печатающие устройства для получения «твердых» копий документа. По типу делятся на матричные, струйные и лазерные.

Матричные принцип действия, как у компостеров общественного транспорта, каждый символ воспроизводится совокупностью точек-иголок (бывают -9,12,18,24 или 48 игольчатые). Печатающая головка снабжена рядом иголок, которые в нужный момент ударяют через красящую ленту по бумаге. Основные производители Epson, IBM Graphics.

Струйные - изображение формируется микро каплями специальных чернил, выдуваемых на бумагу с помощью специальных сопел.

Лазерные - используют принцип ксерографии. Лазерный луч «рисует» изображение на светочувствительном барабане. Это изображение представлено распределением электрозарядов. При вращении барабана он проходит мимо картриджа с тонером - тонко размельченным красящим порошком. Он создает обычный рисунок, переносимый на бумагу, по которой прокатывается барабан. Нагреванием тонер расплавляется и фиксируется на бумаге. Основной производитель Hewlett-Packard.

Потребительские качества приемлемые для лазерных принтеров:

Аппаратная русификация,

Скорость печати 8 страниц в минуту,

Разрешение 600 точек на дюйм,

Картридж на 6,5 тыс.страниц,

Лоток автоматической подачи бумаги на 250 листов.

У цветных лазерных принтеров принцип действия аналогичен черно-белым, только процесс переноса тонера повторяется 4 раза (для наката тонеров четырех цветов).

Дополнительными устройствами вывода являются плоттер и ризограф.

Плоттер - графопостроитель. Принцип действия - пишущий инструмент - перо - перемещается по бумаге, оставляя след.

Ризограф - множительный аппарат, может работать и как принтер, и как сканер. Принцип действия - сначала оригинал считывается внутренним сканером и запоминается в специальном буфере памяти. После этого устройство делает трафарет и отпечатывает изображение (60-130 копий в минуту).

Одним из дополнительных устройств ПЭВМ является звуковая карта (адаптер). Звуковая карта явилась одним из поздних усовершенствований ПК. Она подключается к одному из слотов материнской платы в виде дочерней карты и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звук воспроизводится через внешние звуковые колонки, подключаемые к выходу звуковой карты. Специальный разъем позволяет отправить звуковой сигнал на внешний усилитель. Имеется также разъем для подключения микрофона, что позволяет записывать речь или музыку и сохранять их на жестком жиске для последующей обработки и использования. Основным параметром звуковой карты является разрядность, определяющая количество битов, используемых при обработке звуковых сигналов и преобразовании их в цифровую форму. Минимальным требованием сегодняшнего дня является 16- разрядная обработка (8-разрядные не обеспечивают стереоэффекта). Чем выше разрядность, тем выше точность преобразования звуковых (аналоговых) сигналов в цифровую форму. В настоящее время наиболее популярны 32- и 64-разрядные звуковые карты.

4) Устройства обмена данными - включают модем, факс-модем и сетевой адаптер. Модем и факс-модем - устройства, обеспечивающие подключение ПК к телефонным линиям связи, и, следовательно, к электронной информационной службе. Бывают встраиваемые в виде платы в системный блок, либо в виде отдельного блока. Факс-модем преобразовывает компьютер в факсимильный аппарат. Сетевой адаптер - служит для объединения ПК в локальную сеть. Он скомпонован в виде стандартной платы расширения ПК.

Раздел 3. Программное обеспечение ПЭВМ

Тема 3. Характеристика и состав программного обеспечения ПК

3.1 Этапы решения задач на компьютере

Технические средства компьютера (hardware) являются универсальным инструментом для решения широкого круга задач. Однако эти задачи решаются лишь в том случае, если компьютеру известен алгоритм их решения. Процессу решения задач на ПЭВМ предшествуют следующие этапы:

1. Постановка задачи. На данном этапе описывается содержание, формулируется цель решения задачи, анализируются данные, определяются условия, при которых она решается;

2. Математическое описание (формулировка) задачи. Производится математическая формализация задачи, при которой существующие соотношения между величинами определяющими результат, выражаются посредством математических формул;

3. Разработка алгоритма решения задачи: а) выбор метода решения, б) разработка схемы алгоритма, при этом учитывается точность вычислений, время, объем памяти и др.;

4. Составление программы на алгоритмическом языке;

5. Отладка программы (исправление ошибок) и анализ результатов.

3.2 Основные понятия основ алгоритмизации и программирования

Существует множество определений понятия алгоритма. Само слово произошло от имени древнегреческого ученого - Мухаммед бен Муса аль-Хорезми, впервые описавшего данное понятие. Алгоритм (algorithm) - это точное предписание, определяющее процесс преобразования исходных данных в конечный результат. Алгоритм - это последовательность арифметических и логических действий приводящих к решению задачи.

Общие свойства алгоритма

Общими свойствами любого алгоритма, являются :

· определенность (детерминированность) - однозначность полученных результатов, независимо от способов решения, пользователя, технических средств;

· массовость - применение одного и того же алгоритма к множеству однотипных задач;

· результативность - возможность получения результата за конечное число шагов;

· дискретность - возможность расчленения процесса на отдельные этапы.

Способы описания алгоритмов (основные):

· словесно - формульный, например, алгоритм реш ения квадратного уравнения,

· структурный или блок-схемный, где для написания алгоритма используются следующие блоки:

Блок начала и конца,

Блок ввода данных и вывода результатов

Блок арифметический

Блок логический, для проверки логических выражений

Все блоки имеют сквозную нумерацию, вход (их может быть несколько - по логике задачи) и один выход, блок логический имеет два выхода, соответствующие выполнению логического выражения (да - истина) и невыполнению (нет - ложно). Блок начала не имеет входа, блок конца - выхода.

Виды вычислительных процессов.

Существует три основных вида вычислительных процессов (алгоритмических структур): линейный, ра зветвляющийся и циклический, с помощью которых можно представить структуру алгоритма любой задачи.

Линейным называется вычислительный процесс, в котором операции выполняются последовательно, в порядке их записи. Каждая операция является самостоятельной, независимой от каких - либо условий.

Вычислительный процесс называется разветвляющимся, если для его реализации предусмотрено несколько направлений (ветвей), в зависимости от выполнения какого-то условия процесс должен идти по одной или другой ветви.

Циклическим называется процесс, когда решение задачи сводится к многократному вычислению по одним и тем же зависимостям при различных значениях входящих в них величин. Многократно повторяющиеся участки этого вычислительного процесса называются циклами.

Определения программы, языка программирования, программного обеспечения (ПО).

Программа - данные, их описание и алгоритм, записанный на языке программирования. Действия над данными, предписываемые программой, называются операциями, а сами элементарные предписания - командами. Обычно программы хранятся во внешней памяти компьютера. Для выполнения они загружаются в оперативную память. Программа, постоянно находящаяся в ОЗУ во время работы компьютера, называется резидентной программой.

Программирование - процесс создания программ с ипользованием различных языков программирования.

Языки программирования - формализованные языки для создания программ, исполняемых на компьютере. Языки программирования являются искусственными, со строго определенными синтаксисом и семантикой. Существуют различные языки: процедурные, функциональные, логические и объектно-ориентированные.

3.3 Состав программного обеспечения ПК

Программное обеспечение (ПО - software) - совокупность программ позволяющих осуществить на компьютере автоматизированную обработку информации. Основными компонентами ПО ПК являются:

· инструментальные программы (системы программирования),

· системные программы,

· пакеты прикладных программ (ППП).

Структура ПО и взаимосвязь с пользователем и аппаратными средствами представлена на рисунке 3.1.

Инструментальные программы (системы программирования) - с их помощью пользователь создает новые программы для ПЭВМ. Включают в свой состав средства написания программ (языки программирования) и преобразования их на машинный язык (трансляторы). Различают трансляторы двух типов: компиляторы - осуществляют преобразование команд языка (операторов) в машинные коды для всей программы целиком, и интерпретаторы - осуществляют преобразование операторов во время выполнения программы.

Прикладные программы - обеспечивают решение пользовательских задач. Ключевым понятием здесь является пакет прикладных программ (ППП). ППП - совокупность программ для решения круга задач по определенной тематике или предмету.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3.1. Структура ПО ПК

Различают следующие типы ППП:

· общего назначения,

· методо-ориентированные,

· проблемно-ориентированные

ППП общего назначения ориентированы на автоматизацию широкого класса задач пользователя. К ним относятся:

· текстовые процессоры (например,Microsoft (MS) Word),

· табличные процессоры (MS Excel),

· системы управления базами данных (MS Access),

· системы динамических презентаций (MS PowerPoint),

· графические процессоры (Corel Draw),

· интегрированные системы (MS Works),

· системы автоматизации проектирования (CASE-технологии) и др.

В основе методо - ориентированных ППП лежит реализация разнообразных экономико-математических методов решения задач:

· математического программирования (линейного, динамического, статистического и др.),

· математической статистики,

· теории массового обслуживания. Сетевого планирования и управления.

Проблемно-ориентированные ППП направлены на решение определенной задачи (проблемы) в конкретной предметной области. Среди них: банковские пакеты, пакеты бухгалтерского учета, финансового менеджмента и др.

Системное программное обеспечение обеспечивает функционирование и обслуживание компьютера. В его состав входят:

· операционная система (ОС),

· драйверы,

· программы-оболочки,

· операционные оболочки,

· утилиты (вспомогательные программы).

Основой ПО является ОС, с помощью которой достигается связь пользователя с аппаратными средствами (hardware) и программами (software) (рис 2.1.). Внедрение ОС началось одновременно с компьютерами. ОС состоит управляющих и обслуживающих программ и обеспечивает выполнение двух главных задач:

1. Поддержку работы всех других программ и обеспечение их взаимодействия с аппаратными средствами; распределение памяти; выявление различных событий, возникающих в процессе работы и реакцию на них и др.

2. Возможность общего управления машиной на основе командного языка ОС, например, осуществлять разметку дисков, копирование файлов, запуск любых программ, установка режимов периферийных устройств.

Драйверами называются специальные программы для работы с внешними устройствами (управления ими).

Под оболочкой в вычислительной технике понимают программу, являющуюся надстройкой над другой программой или прослойкой между какой-нибудь программой и пользователем. Например, программная оболочка Norton Commander (NC) выполняет роль надстройкой над ОС семейства MS DOS, облегчая общение с последней.

Операционные оболочки (примером являются Windows 3.x) дают более наглядные средства для выполнения команд DOS и представляют пользователю ряд дополнительных сервисных услуг:

Возможность одновременного выполнения нескольких программ - мультипрограммирование,

Вывод изображений на экран, их редактирование, построение меню, окон на экране и др.

Утилиты - вспомогательные программы: упаковщики, антивирусные программы, диагностики компьютера, кэширования дисков и др.

информация компьютер программное операционная

Тема 4. Характеристики операционных систем ПК

4.1 ОС, классификация ОС, разновидности ОС

В предыдущей теме было дано определение ОС, как комплекса управляющих и обслуживающих программ. Функции (назначение) ОС - предоставление пользователю удобств виртуальной машины и повышение эффективности использования компьютера при рациональном управлении его ресурсами. Под виртуальной машиной понимают функциональный эквивалент воображаемого компьютера с заданной конфигурацией, моделируемый программно-аппаратными средствами реального компьютера. Что же это значит? Процессор компьютера выполняет команды, заданные на машинном языке. Непосредственная подготовка таких команд требует от пользователя знаний языка, специфики построения и взаимодействия аппаратных средств. К примеру, для доступа к хранящейся на магнитном носителе информации необходимо указать номера блоков на диске и номера секторов на дорожке, определить состояние двигателя механизма перемещения головок записи/чтения, обнаружить ошибки и выполнить их анализ и пр. То есть, о широком использовании ПК, кроме как профессионалов, не могло бы быть и речи. Поэтому и возникла необходимость создания ОС - совокупности программ, скрывающих от пользователя особенности физического расположения информации, осуществляющих управления памятью, обработку прерываний, ресурсами машины в целом. В результате пользователю предоставляется виртуальная машина, реализующая работу на логическом уровне.

Подобные документы

Понятие и характеристика персонального компьютера, его основные части и их предназначение. Средства обучения информатики и особенности организации работы в кабинете вычислительной техники. Оборудование рабочих мест и применение программного обеспечения.

реферат , добавлен 09.07.2012


Характеристика систем технического и профилактического обслуживания средств вычислительной техники. Диагностические программы операционных систем. Взаимосвязь систем автоматизированного контроля. Защита компьютера от внешних неблагоприятных воздействий.

реферат , добавлен 25.03.2015


Виды системного программного обеспечения. Функции операционных систем. Системы управления базами данных. Классификация СУБД по способу доступа к базе данных. Инструментальные системы программирования, обеспечивающие создание новых программ на компьютере.

реферат , добавлен 27.04.2016


Обзор и характеристика программного обеспечения компьютера как совокупности программ системы обработки информации. Характеристика аппаратного обеспечения как комплекса электрических и механических устройств, входящих в состав ЭВМ. Взаимодействие систем.

презентация , добавлен 23.12.2010


Состав персонального компьютера, описание системного блока, жесткий и лазерный диски, клавиатура, монитор. Классификация периферийных устройств, память компьютера. Классификация программного обеспечения. Изучение программы управления базами данных Access.

дипломная работа , добавлен 09.01.2011


Информатика - технология сбора, хранения и защиты информации. Обработка текстовой информации, специализированное и прикладное программное обеспечение. Технические средства; базы данных; автоматизированные информационные системы; антивирусные средства.

реферат , добавлен 09.12.2012


Состав вычислительной системы - конфигурация компьютера, его аппаратные и программные средства. Устройства и приборы, образующие аппаратную конфигурацию персонального компьютера. Основная память, порты ввода-вывода, адаптер периферийного устройства.

презентация , добавлен 15.04.2013


Средства автоматизации управленческого и инженерно-технического труда. Средства организационной и вычислительной техники, используемые в обеспечении управленческой деятельности. Состав прикладного программного обеспечения вычислительной техники.

курсовая работа , добавлен 07.01.2011


Разработка программных и аппаратных компонентов для проведения информатизации объекта. Выбор конфигурации рабочих станций. Комплектация персонального компьютера и сервера для обеспечения обработки информации. Схема лицензирования программного обеспечения.

курсовая работа , добавлен 20.12.2012


Обоснование необходимости систем управления базами данных на предприятиях. Особенности разработки программного обеспечения по управлению базой данных, обеспечивающего просмотр, редактирование, вставку записей базы данных, формирование запросов и отчетов.

С начала 80-х годов 20 века, в связи с массовым производством и внедрением персональных компьютеров (ПК), идея системной автоматизации процесса проектированиястановится практически осуществимой для проектных организаций любого масштаба: от крупного института до частного бюро. Понятие САПР, с одной стороны, упростилось и зачастую ассоциируется с той или иной компьютерной программой. С другой стороны, проектирование сложных технических объектов возможно лишь в рамках САПР как организационно-технической системы,в основе которой - весь потенциал информационных технологий.

Средства обеспечения САПР классифицируют как единство следующих компонентов: техническое, программное, математическое, методическое, информационное и организационное .

2.1. Техническое и программное обеспечение

Техническое обеспечение - это комплекс технических средств, с помощью которого осуществляют сбор, обработку, хранение, преобразование и передачу данных, связанных с объектом проектирования.

Основу технического обеспечения составляют средства вычислительной техники и, в первую очередь, это - персональный компьютер.

Стандартная конфигурация компьютера общеизвестна (см. рис. 2.1):

· системный блок, состоящий из процессора, оперативнойпамяти, блока питания, винчестера, другихнакопителей данных, портовподключения периферийных устройств;

· клавиатура для ввода информации;

· монитор для отображения информации;

· мышь для удобства диалога "человек-компьютер".

Рис. 2.1. Персональный компьютер стандартной конфигурации

Понятие периферийных устройств включает широкий перечень технических средств. В первую очередь, это средства сбора и обработки данных для проектирования. К ним можно отнести электронное геодезическое оборудование (тахеометры, системы спутниковой навигации, лазерные сканеры и пр.), которое или работает непосредственно под управлением компьютеров, или передает данные измеренийв виде компьютерных файлов. Более подробная информация о технических средствах инженерных изысканий изложена в гл. 4.

Если исходная информация о проектируемой дороге представлена в виде планшетов топографических планов, то для преобразования информации из бумажного вида в электронный применяют сканеры (см. рис.2.2,а). Сканеры бывают рулонные или планшетные. Точность сканирования последних существенно выше и может достигать 12000 dpi (dots per inch - точек на дюйм). Когда речь идет о проектировании сложных технических объектов, то применяют инженерные сканеры большого формата A 0(A 1).

Выходную графическую информацию об объекте проектирования (чертежи) печатают на плоттерах также большого формата. По способу подачи бумаги плоттеры как и сканеры, бывают рулонные (рис.2.2,б)или планшетные. По способу нанесения красящего вещества – лазерные или струйные. Вопрос о том, каким должен быть инженерный чертеж,черно-белым или цветным, в последнее время однозначно решается в пользу цветного. Во-первых, в виду существенного прогресса в области цветной печати, которая стала незначительно дороже черно-белой. Во-вторых, цвет несет дополнительную информацию о проектируемом объекте и способствует повышению эффективности зрительного анализа таких чертежей.

SHAPE\* MERGEFORMAT

Рис. 2.2. а) Сканер рулонный; б) Плоттеррулонный

К периферийным устройствам компьютера также можно отнести аппараты цифрового фото и видео, которые в настоящее время широко применяются при сборе исходных данных для проектирования дорог.

Для организации коллективной работы над проектом и оперативного обмена информацией компьютеры объединяют в локальные (интранет) и глобальные (интернет) сети, техническими компонентами которых являются серверы, сетевые плата, модемы, оптоволоконные сети и пр.

Программное обеспечение САПР подразделяют на общесистемное и прикладное .

К общесистемному программному обеспечению относят, в первую очередь, операционные системы (ОС), которые управляют всеми процессами, происходящими в компьютерах. Появление и эволюция ОС происходила параллельно с развитием самих компьютеров. Если создание первого персонального компьютера ассоциируют с фирмой IBM (www . ibm . com ), то первая массовая ОС появилась для этого компьютера от фирмы Microsoft ( www. microsoft. com ) и называлась MS - DOS .

14-летний путь эволюции (с 1981 по 1995 г.г.) MS - DOS версий 1.0-7.0 способствовал внедрению компьютеров от решенияузких инженерных задач до повсеместного их применения во всех сферах жизни.

С начала 90-х годов на смену MS - DOS приходит Windows (от англ. – окна) также от фирмы Microsoft , котораяпозволяет одновременно работать с несколькими программами (окнами), с легкостью переключаясь между ними без необходимости закрывать и перезапускать отдельные программы. На начальном этапе развития Windows выполняла роль графического интерфейса для MS - DOS .

С выходом Windows 3.1 (1992 г.) эта операционная система ассоциируется как самостоятельная, способная работать с оперативной памятью более 640 кб, с масштабируемыми шрифтами TrueType .

Выпуск в 1993 г. Windows NT (сокращение от New Technology – новая технология) был хорошо принят разработчиками благодаря ее повышенной защищенности, стабильности и развитому API -интерфейсу Win 32 , упрощающему составление мощных программ.

В 1995 г. выходит Windows 95 – самая дружественная пользователю версия Windows , для инсталляции которой не требуется предварительно устанавливать DOS ; ее появление делает ПК более доступным массовому потребителю. В Windows 95 имеются встроенный набор протоколов TCP / IP и допускается использование длинных имен файлов.

Windows 98 (1998 г.) – последняя версия Windows на базе старого ядра, функционирующего на фундаменте DOS . Система Windows 98 интегрирована с браузером Internet Explorer 4 и совместима с многочисленными новыми аппаратными стандартами, в том числе USB-портами. Последующие версии Windows разрабатывались на базе ядра NT.

В настоящее время (с 2001 г.) большинство прикладных программ, в том числе САПР, функционирует под управлением операционной системы MS Windows XP (от англ. eXPerience – опыт).

Новый проблемно-ориентированный интерфейс MS Windows XP позволяет в кратчайшие сроки освоить принципы работы с операционной системой даже тем пользователям, которые ранее никогда не сталкивались с системами семейства Windows . Применяемые в Windows XP расширенные web-технологии открывают возможность обмена текстовыми и голосовыми сообщениями, создания web-проектов различного уровня сложности и совместного использования приложений не только в локальной сети, но и в Интернете.

К условно общесистемному программному обеспечению можно отнести MS Office , ряд приложений которого (текстовый редактор Word , электронные таблицы Excel ) стали де-факто стандартами в своем классе программ. Практически все САПР, формирующие в качестве выходных данных текстовые документы, осуществляют это в среде MS Word , а табличные формы – в среде MS Excel .

К прикладным программам, помимо самих САПР, можно отнести: векторизаторы; программы обработки геодезических данных, данных дистанционного зондирования; системы управлениями базами данных (СУБД);системы управления проектно-конструкторской документацией (СУПКД) и др.

Последние из перечисленных (СУПКД) являются исключительно важными в работе проектных организаций, поскольку в значительной степени обеспечивают функционирование систем контроля качества при производстве проектной продукции.

Из множества программ этого класса наиболее полнофункциональной системой является Party PLUS (разработчик – компания Лоция Софт, Москва, www . lotsia . com ).

Party PLUS является профессиональной системой, построенной в архитектуре "клиент-сервер" на базе СУБД типа Oracle , MS SQL - Server , Sybase и отличающейся надежностью, производительностью, масштабируемостью и защищенностью.

Рис. 2.3. Система управления документацией Party PLUS

Система содержит защищенный архив документов, а также встроенные средства свободной и предопределенной маршрутизации документов, работ и управления бизнес-процессами. Система поддерживает режим параллельной коллективной работы различных групп пользователей и обеспечивает управление всей относящейся к проекту информацией, что позволяет сотрудникам проектной организации не только получать доступ к описанию проекта, но и управлять информацией об этом проекте.

Если на предприятии несколько территориально распределенных проектных отделов, то с помощью Party PLUS можно организовать отлаженное взаимодействие удаленных подразделений при работе над несколькими проектами.

Party PLUS обладает функцией ведения истории всех инженерных изменений в структуре проекта, возможностью сравнения текущего состояния с состоянием на любую дату. Имеются средства поддержки многовариантного проектирования с хранением вариантов, не вошедших в основной проект, средства поддержки работы с версиями документов. Имеется возможность задавать для элемента проекта аналоги или родственные элементы, группировать элементы по различным критериям.

Система Party PLUS универсальна, максимально гибка для решения задач в различных отраслях инженерной деятельности, включая дорожную отрасль, и ориентирована на равноправную работу с различными САПР.

2.2. Математическое и методическое обеспечение

Математическое обеспечение – это совокупность аналитических и численных методов, математических моделейи алгоритмов выполнения проектных процедур. Применение тех или иных методов зависит от уровня развития САПР, свойств объектов проектирования и характера решаемых задач.

На начальном этапе развития САПР осуществлялась алгоритмизация ручных методов проектирования. Это способствовало сокращению времени проектирования, но качество проектных решений при этом практически не улучшалось.

Первые работы в области оптимизации проектных решений начались в 70-е годы и были связаны, в первую очередь, с проектированием продольного профиля. Работы Е.Л.Фильштейна и его метод "граничных итераций", В.И.Струченкова и его метод "проекции градиента" устанавливали положение проектной линии продольного профиля с учетом минимизации объемов земляных работ. Уже на этом этапе пришлось отказаться от представления проектной линии в виде последовательности прямых и дуг окружностей, а перейтина модель проектной линии в виде ломаной (линейного сплайна). Однако этиметоды не затрагивали общих (базовых) принципов изысканий и проектирования автомобильных дорог.

Переход в 90-е годына системную автоматизацию дорожного проектирования на основе цифровых моделей местности привел к существенному изменению всей технологии проектно-изыскательских работ.

В период "ручного" проектирования автомобильных дорог геодезические изыскания выполнялись "пикетным" методом. Суть этого метода заключается в следующих этапах работ :

· Полевое трассирование автомобильной дороги. При этом тангенциальный ход трассы является одновременно и магистральным ходом для всех последующих разбивочных работ, как на стадии изысканий, так и на стадии строительства.

· Планово-высотное закрепление трассы притрассовыми реперами и угловыми столбами.

· Разбивка пикетажа по трассе. Разбиваются и закрепляются не только пикетные точки, но и плюсовые (характерные) точки, связанные с изломами рельефа, пересечением водных потоков, инженерных коммуникаций и дорог.

· Двойное продольное геометрическое нивелирование трассы по принятому пикетажу.

· Съемка поперечников. При разбивке пикетажа по трассе одновременно осуществляют разбивку поперечников на всех пикетных и плюсовых точках. На прямолинейных участках трассы поперечники разбивают перпендикулярно к оси дороги, а на криволинейных участках – перпендикулярно касательной к трассе. Длину поперечника принимают такой, чтобыв его пределах разместились земляное полотно со всеми его конструктивными элементами.

Съемку поперечников осуществляют для построения продольного и поперечных профилей по принятой трассе для последующего проектирования земляного полотна, организации системы поверхностного водоотвода, подсчета объемов земляных работ и подготовки проектной документации.

Как следует из вышеприведенного, при "пикетном" методе изысканий изменение положения трассы и, следовательно, всех остальных проекций на проектной стадии не возможно. Таким образом, творческое начало проектной деятельности при этом методе ограничено ввиду предопределенности положения трассы дороги,что существенно сказывается на качестве конечных проектных решений. Заметим также, что в полевых условиях трассирования, в отсутствии компьютерной техники, инженер-изыскатель ограничивался элементарной схемой закругления трассы типа "клотоида- круговая кривая-клотоида", разбивку которойможно было произвести по соответствующим разбивочным таблицам.

Совершенно другую перспективу открывает "беспикетный" метод изысканий дорог, приоритетное применение которого стало возможным благодаря достижениям электронной тахеометрии и вычислительной техники.

Изыскания по этому методу состоят в следующем:

· В полосе возможных проектных решений, определенной на предпроектной стадии, закладывается и закрепляется магистральный ход (сеть ходов).

· Осуществляется тахеометрическая съемка полосы варьирования. При этом обеспечивается высокая производительность работ, посколькувсе измерения, необходимые для определения пространственных координат съемочных точек местности, выполняют комплексно с использованием одного геодезического прибора – тахеометра.

· С электронного тахеометра в компьютер считывается цифровая модель местности, которая является основой для всех последующих проектных процедур.

Заметим, что при "беспикетном" методе изысканий местоположение трассы определяется ни на стадии изысканий, а на стадии проектирования (в камеральных условиях). Это дает возможность варьировать местоположением трассы практически на любом этапе проектирования, применять для установления местоположения трассы и ее описаниясамые современные математические методы, в том числе и оптимизационные.

Учитывая трехмерную природу ЦММ и порождаемых ею поверхностей, появляется уникальная возможность пространственного трассирования дорог. В настоящее время методология и алгоритмы пространственного трассирования успешно разрабатываются в рамках САПР и скоро должны пополнить арсенал передовых технологий для дорожной проектной практики.

Из множества методов вычислительной математики, ставших доступными в условиях системной автоматизации проектных работ, остановимся на сплайнах и кривых Безье, применяемых при автоматизированном трассировании дорог в плане и продольном профиле.

Интерполяционные сплайны. Как известно, термин "сплайн" происходит от названия чертежного инструмента – тонкой металлической или деревянной линейки, которая изгибается так, чтобы проходить через заданные точки (x i , y i = f (x i )).

Тогда сплайн в положении равновесия принимает форму, которая минимизирует его потенциальную энергию. И в теории балок установлено, что эта энергия пропорциональна интегралу по длине дуги от квадрата кривизны сплайна:

при условиях S (x i ) = y i .

Рис. 2.4. Очертания сплайна как математического аналога линейки

Сплайны можно определить 2-мя способами: исходя из взаимного согласования простых функций и из решения задачи минимизации .

К сплайнам, определяемым по первому способу, можно отнести интерполяционные сплайны, которые необходимы для аналитического представления дискретно заданной информации.

Сглаживающие сплайны определяют чаще всего на основе 2-го способа. Именно сглаживающие сплайны должны найти самое широкое применение для оптимизации тех проектных решений, которые на начальной стадии рассмотрения носят, как правило, приближенный характер.

В проектной практике применяют, как правило, сплайны 1-й и 3-й степени. Сплайны 1-й степени (линейные) служат, во-первых, хорошей и доступной иллюстрацией к пониманию процессов построения сплайновых алгоритмов, во-вторых, достаточны для описания геометрических элементов дорог, представляемых в виде ломаных линий (магистральные и тангенциальные ходы, продольные и поперечные профили земли и т.д.).

Сплайны 1-й степени. Сплайны 1-й степени (ломаные) достаточно просты для понимания и,в то же, время, отражают основные свойства сплайн-функций. С математической точки зрения, сплайн 1-й степени – это кусочно-непрерывная функция, на каждом отрезке описываемая уравнением вида:

y = a i + b i x , (2.2)

где i – номер рассматриваемого интервала между узлами интерполяции x i и x i + 1 .

Как видно из формулы (2.2), на элементарноминтервале вид уравнения не отличается от общепринятого выражения прямой. В целом, уравнение ломаной (сплайна 1-й степени) в матричной форме можно записать как:

(2.3)

Эта система линейных уравнений не требует совместного решения и распадается на решения каждого уравнения в отдельности. Сплайн, решение которого связано с вычислением подсистем небольшой размерности, в данном случае – уравнений первого порядка, будем называть локальным.

Интерполяционный сплайн 1-й степени – это ломаная, проходящая через точки (x i , y i ). Для совокупности x i (i = 0, 1,… , n ) в интервале [a, b ] при этом должно выполняться условие x i 1 .

Используя полином Лагранжа, можно построить сплайн для интервала i – (i + 1):

(2.4)

Обозначение S 1 (x ) будем понимать как сплайн-функцию первой степени. Иначе уравнение (2.4) можно записать:

(2.5)

Если принять о форма уравнений (2.2) и (2.5) совпадает. Для построения алгоритма и составления процедуры построения и вычисления сплайна необходимо помнить всего лишь 2n +2 числа.

Сплайны 3-й степени. Сплайны 3-й степени (кубические) – это кусочно-непрерывная (непрерывность 1-й и 2-й производных) функция,состоящая из отрезков кубических парабол.

В настоящее время существует множество алгоритмов построения и расчета на ЭВМ кубических сплайнов, что обусловлено широким их использованием в решении технических задач, связанных синтерполяцией кривых и поверхностей.

При решении поставленной задачи между n узлами находятся n –1 фрагментов кубических кривых, а кубическая кривая, в свою очередь, определяется 4-мя параметрами. Поскольку значение функции и 1-й, 2-й производных (X s , X ¢ s , X ² s ) непрерывны во всех (n –2)-х внутренних узлах, то имеем 3(n –2) условий. В узлах X si = X i накладываются еще n условий на X s . Отсюда получаем 4n –6 условий. Для однозначного определения сплайна необходимо еще два условия, которые обычно связываются с так называемыми краевыми (граничными) условиями. Например, зачастую принимается просто . В этом случае получаем необходимое количество условий для определения естественного сплайна в виде:

Недостатком этого сплайна является то, что у него нет возможности изменения формы на участке между двумя жестко закрепленными интерполяционными точками. Лишь перемещением одной из точек интерполяции можно добиться некоторого изменения формы сплайн-кривой. При этом, в силу того, что кубический интерполяционный сплайн относится к нелокальным методам аппроксимации, его значения в точках, не совпадающих с узлами сетки Δ: a = x 0 x N = b , зависят от всей совокупности величин f i = f (x i ), i = 0, 1 ,…, N , и еще от значений краевых условий в точках a , b ; следовательно, желательный эффект изменения формы сплайн-кривой в одном месте интервала интерполяции может перекрываться нежелательными изменениями на всем остальном отрезке.

Однако методы борьбы с этим неприятным явлением известны. Это, во-первых, применение локальных интерполяций эрмитового типа, для которых значение сплайна на промежутке между узлами сетки зависит от значений функции и ее производных только из некоторой окрестности этого промежутка.

Во-вторых, интерполяция на основе рациональных сплайнов . Сохраняя одно из важнейших свойств кубической сплайн-интерполяции – простоту и эффективность реализации на ЭВМ – рациональные сплайны обладают возможностью приближения функций с большими градиентами или точками излома, при этом устраняя осцилляции, присущие обычному кубическому сплайну.

Рациональной сплайн-функцией называют функцию S (x ), которая на каждом промежутке интерполяции [x i , x i +1 ] записывается в виде

(2.7)

где t = (x-x i )/h i , h i = x i + 1 - x i , p i , q i – заданные числа, -1 p i , q i и при этом непрерывна вместе со своими первой и второй производными.

Из выражения (2.7) видно, что при p i = q i = 0, i = 0, 1,…, N –1, рациональный сплайн превращается в обычный кубический сплайн. Кроме того, можно считать, что сплайн первой степени также является частным случаем кубического сплайна, поскольку при всех p i , q i –>∞, i = 0, 1,…, N –1, справедливо S (x )–> f i (1– t )+ f i +1 t , x Î [x i , x i +1 ].

Таким образом, можно ожидать, что при использовании рациональных сплайнов путем надлежащего выбора свободных параметров p i , q i достигается высокая точность приближения на участках достаточной гладкости интерполируемой функции, а на участках с большими градиентами удовлетворяются требования качественного характера – выпуклости и монотонности.

Использование рациональной сплайн-функции позволяет описать единообразной зависимостью трассу с максимальным приближением к трассе, заданной традиционными элементами. Варьируя значениями коэффициентов p i и q i , имеется возможность полной имитации сплайн-функцией традиционных элементов плана трассы (прямой, круговой кривой, клотоиды).

"Слабым" местом в обосновании интерполяционных сплайнов как универсального математического аппарата при трассировании автомобильных дорог является допущение (условие), что узлы интерполяции назначены проектировщиком верно и при вычислении значений самого сплайна корректировке не подлежат.

Проанализируем, как на практике назначают местоположение узлов?

Если трассирование выполняется на основе карты или топографического плана, то проводится эскизная линия дороги, которая, по мнению проектировщика,является наиболее целесообразной при заданных условиях, "от руки" или с помощью механических приспособлений. Далее на эскизной линии фиксируются узлы интерполяции и замеряются их координаты. При этом не существует строго формализованных алгоритмов назначения местоположения узлов, есть лишь ряд практических советов. В частности: частое расположение узлов приводит к осцилляции кривизны такого сплайна ввиду неизбежной погрешности съемки координат узлов интерполяции; редкое их расположение вызывает существенные отклонения сплайн-трассы от порождающей ее эскизной линии.

Если трассирование выполняется по материалам полевых изысканий, то узлами сплайн-интерполяции, в этом случае, являются съемочные точки цифровой модели местностии погрешность в установлении их координат еще более очевидна ввиду наличия ошибок случайного и систематического характера.

Хорошего приближения сплайн-трассы к эскизному варианту и, в то же время, достаточной ее гладкости (плавности) можно добиться, как правило, лишь при многократной интуитивной корректировке проектировщиком узлов интерполяции.

Отсюда следует, что интерполяционные сплайны не являются математическим аппаратом оптимального трассирования, а лишь удобным и во многих задачах чрезвычайно эффективным инструментарием компьютерной обработки эскизно назначенных проектных решений. Качество таких решений существенно зависит от квалификации проектировщика.

Из вышеприведенных рассуждений вытекает, что постановка задачи трассирования на основе сплайнов должна предполагать следующее: узлы интерполяции эскизной трассы, а в случае реконструкции – исходной трассы, назначаются приближенно (с допуском) и точное их местоположение вычисляется по определенным закономерностям, учитывающим ряд основополагающих целевых установок самого процесса трассирования. В математической терминологии эту задачу можно отнести к задачам генерации геометрических форм по их грубым (приближенным) описаниям или задачам сглаживания.

Сглаживающие сплайны. В качестве математического аппарата для решения задачи трассирования дорог применяют сглаживающие сплайны, которые минимизируют функционал вида:

при ограничениях, например,

В записи функционала q = 1, 2; S (x i ) – сплайн; r i – вe совой коэффициент узла интерполяции; f 0 (x i ) – функция начального приближения.

Ограничения могут быть самыми разными и в случае трассирования дорог это: ограничения по допустимому радиусу, направлению трассыв плане иуклону в продольном профиле и т. п. При этом для сплайнов третьей степени должны быть добавлены так называемые "краевые условия" в точках x 0 = a , x n = b , обеспечивающие единственность построения сплайна. Например, это могут быть условия заданного начального и конечного направления проектируемого участка трассы S ¢ (x a ), S ¢ (x b ).

Из формы записи совместных условий (2.8) – (2.10) следует, что это – задача условной оптимизации.

Условие (2.9) позволяет смещать узлы интерполяции в установленном коридоре варьирования по заданному алгоритму. Признаком завершения итерационного процесса оптимизации служит выполнение условия(2.10) и означает, что на каждом дальнейшем итерационном шаге сдвиг любого из узлов не превысит величины d .

Если в условии (2.9) e i = 0, то вновь приходим к понятию интерполяционных сплайнов. Отсюда становится очевидным, что интерполяционные сплайны являются всего лишь частным случаем сглаживающих сплайнов.

Выбор сглаживающих сплайнов для дальнейшего подробного рассмотрения только в виде алгебраических полиномов и только 1-й и 3-й степени из всего многообразия обусловлен тем, что это наиболее простые в компьютерной реализации сплайны и, в то же время, имеют достаточные аппроксимативные свойства для описаний очертаний трассы и ее дифференциального анализа. В случае сплайнов 1-й степени этот анализ (1-еи 2-е производные) можно выполнить в виде разделенных разностей, а для сплайнов 3-й степени – непосредственным дифференцированием функции.

Функционал (2.8) хорошо моделирует задачу трассирования дорог при их реконструкции, которая состоит в том, чтобы добиться минимального отклонения проектируемой трассы от существующей, при одновременном условии по уклону и кривизне в продольном профиле,и по кривизне и скорости нарастания кривизны в плане согласно требованиям СНиП для данной категории дороги. Минимальное отклонение достигается за счет второго слагаемого,а условия по кривизне и уклону – первого слагаемого функционала (2.8).

При совместной минимизации двух слагаемых соотношение между ними регулируется весовыми коэффициентами r i , которые должны быть определенным образом нормированы.

Рассмотрим оптимизационные возможности функционала (2.8) в порядке возрастания его сложности.

Второе слагаемое функционала

известно как метод наименьших квадратов, и оно представляет собой функцию n +1-ой переменной S (x i ), i = 0, 1,…, n . Минимизация последней распадается в данном случае на минимизацию отдельных слагаемых независимо по каждой переменной.

В случае применения сплайнов 1-й степени первое слагаемоефункционала (2.8) будет записано, как

.(2.12)

Рассмотрим линейное приближение функционала длины дуги кривой

(здесь предполагается, что |S `(x )| мало). Очевидно, что решение задачи о минимизации функционала (2.13) совпадает с решением линеаризованной задачи об отыскании элемента минимальной длины. Полученное решение часто называют сплайном в выпуклом множестве.

После подстановки первой производной сплайна, совпадающей в данном случае с разделенной разностью, примет вид

(2.14)

где h i = x i +1 –x i .

Продифференцируем по переменной S (x i ) и сложим два последовательных слагаемых уравнения, содержащих эту неизвестную:

Приравняв полученную сумму нулю и выразив неизвестное S (x i ), получим

Здесь знак "=" представляет собой оператор присваивания. Если принять шаг интерполяции равномерным, то есть h i = const , то процесс оптимизации (пошаговых итераций) в графической интерпретации будет вполне понятен (рис. 3. 10).

Быстрая сходимость итерационного процесса позволяет рекомендовать этот метод для предварительной выработки проектных решений по проектной линии продольного профиля. В этом случае радиус кривизны и уклон проектной линии можно контролировать посредством построения первых и вторых разделенных разностей.

Рис. 2.5. Графическая интерпретация сглаживания линейного сплайна

Совместное рассмотрение суммы функционалов (2.12) и (2.14) дает нам рекуррентную формулу для оптимизации:

Сходимость итерационного процесса здесь, по сравнению с формулой (2.17), ниже и существенно зависит от величины r i . Весовой коэффициент r i позволяет замедлять или ускорять итерационный процесс в отдельных точках (узлах) и может, например для проектной линии, служить средством учета объема или стоимости возведения земляного полотна (дорожных работ) на участке единичной длины.

Рассмотрим первое слагаемое функционала (2.8) применительно к кубическим сплайнам:

Аналогично, решение задачи о сплайне в выпуклом множестве описывает (в линеаризованной постановке) положение, занимаемое упругой рейкой в коридоре ограничений. При замене второй производной второй разделенной разностью данный функционал примет вид:

где S ¢ (x a ), S ¢ (x b ) – одни из возможных краевых условий кубического сплайна. Применительно к проектной линии – это уклон в начальной (x a ) и конечной (x b ) точках проектируемого участка дороги.

Дифференцирование и суммирование уравнений даст нам соответствующие рекуррентные формулы, которые подробно приведены в специальной литературе .

Проектирование закруглений дороги в плане по классической схеме "клотоида – круговая кривая – клотоида" достаточно обоснованно с теоретических позиций, но на практике такая схема имеет множество изъянов и неудобств. Не вдаваясь в их суть, заметим, что если применить какую-либо функцию, которая могла бы одна в какой-то мере моделировать классическую схему (составную кривую), то с позиций удобства алгоритмизации и организации диалога "инженер-компьютер" это было бы достаточно эффективно.

Кривые Безье. В 1970г. Пьер Безье (французский математик) подобрал составляющие параметрического кубического многочлена таким образом, что их физический смысл стал очень наглядным и весьма подходящим для решения многих прикладных задач, в том числе и для целей проектирования дорог по принципу "тангенциального трассирования".

Формула Безье для кубического многочлена (n = 3) имеет следующий вид.

Пусть r i = , i = 0, 1, 2, 3, тогда для 0 ≤ t ≤ 1:

или в матричной форме:

Матрица M называется базисной матрицей кубической кривой Безье.

Кривая, представленная в форме Безье, проходит через точки r 0 и r 3 , имеет касательную в точке r 0 , направленную от r 0 к r 1 , и касательную в точке r 3 , направленную от r 2 к r 3 .

Прямые Р 0 Р 1 , Р 1 Р 2 и Р 2 Р 3 образуют фигуру, называемую характеристической (определяющей) ломаной, которая и предопределяет очертания кривой Безье (рис. 2.6).

Чтобы построить кривую, задают точки Р 0 и Р 3 , через которые должна проходить кривая, затем на желаемых касательных к этой кривой в точках Р 0 и Р 3 задают точки Р 1 и Р 2 . Изменяя длины отрезков Р 0 Р 1 и Р 2 Р 3 варьируют очертаниями кривой, придавая ей желаемую форму.

Рис. 2.6. Сегмент кубической кривой Безье

Главной контролируемой величиной при проектировании кривых в плане является радиус кривизны. Для того, чтобы вычислять радиус кривизны в каждой точке кривой, необходимо знать значения первой и второй производных радиуса-вектора точки. Для кубической кривой Безье первая и вторая производные вычисляют по нижеприведенным формулам:

Тогда кривизна (величина, обратная радиусу кривизны) вычисляется по формуле:

Помимо кривой Безье 3-го порядка (кубической) для целей трассирования дорог возможно применение также кривых Безье 2-го, 4-го и 5-го порядков. Соответствующие формулы для вычисления радиусов-векторов (и их производных) для этих кривых приведены ниже.

Кривая Безье 2-го порядка:

Кривая Безье 4-го порядка:

Кривая Безье 5-го порядка:

Объединением элементарных кривых Безье γ (1) , γ (2) ,…, γ ( l ) , у которых концевая точка кривой γ ( i ) , i = 1, 2,…, l – 1, совпадает с начальной точкой кривой γ ( i +1) , получается составная кривая Безье. Если каждая кривая γ ( i ) задается параметрическим уравнением вида

r = r ( i ) (t ), 0 ≤ t ≤ 1,

то это условие записывается так:

r ( i ) (1) = r ( i +1) (0), i = 1, 2,…, l –1.

В частности, для того, чтобы касательная составной кривой Безье, определяемой набором точек P 0 , P 1 , …, P m , изменялась непрерывно вдоль этой кривой, необходимо, чтобы тройки вершин P 3 i -1 , P 3 i , P 3 i +1 (i ≥ 1) были коллинеарными, то есть лежали на одной прямой (см. рис. 2.7).

Рис. 2.7. Составная кубическая кривая Безье

Пространственные кривые Безье. Выше, в рассуждениях о Безье-кривых понималось плоское расположение опорных точек трассы и, соответственно, рассматривалось представление только плоских кривых. В общем случаеопорные точки характеристической ломаной Безье задаются точками трехмерного пространства P i (x i , y i , z i ), i = 0, 1 ,…, m .

Тогда пространственная кривая Безье степени m определяется уравнением, имеющим следующий вид:

где – многочлены Бернштейна.

Матричная запись параметрических уравнений, описывающих пространственную кривую Безье, имеет вид:

0≤ t ≤ 1,

Более подробное изложение пространственного трассирования дорог приведено в гл. 5.

Методическое обеспечение – совокупность методических материалов, способствующих функционированию САПР.

Профессиональные САПР имеют, как правило, методическое сопровождение в виде "Справочных руководств" в бумажном виде. Главное меню таких систем также содержит раздел Справка (Помощь), в котором представлено описание основных проектных процедур.

В процессе эксплуатации САПР накапливается опыт рациональной выработки проектных решений на основе всей совокупности инструментальных средств системы. Этот опыт, как правило, излагается в форме "Практических руководств (пособий)" и способствует повышению эффективности и качества инженерного труда.

2.3. Информационное и организационное обеспечение

Информационное обеспечение – это совокупность средств и методов построения информационной базы для целей проектирования.

В состав информационного обеспечения входят: государственные стандарты (ГОСТ), строительные нормы (СН), строительные нормы и правила (СНиП), ведомственные строительные нормы (ВСН), типовые проектные решения по сооружениям и элементам автомобильных дорог. Все вышеперечисленные нормативно-информационные материалы существуют в бумажном виде или в виде электронных аналогов.

Другая часть информационного обеспечения существует только в электронном виде и является неотъемлемой частью САПР. Это библиотеки условных знаков (см. рис.2.8), классификаторы и коды, шаблоны типовых элементов в составе графических алгоритмов.

Рис. 2.8. Библиотечный условный знак для топографического плана

В процессе проектированияиспользуется также информация регионального характера. К ней относятся сведенияметеорологического и экологического характера, данные о рельефе и геологическом строении местности, сведения о местоположении карьеров грунтов и каменных материалов и др.

По другой классификации информацию можно подразделить на входную, промежуточную и выходную. Входная - совокупность исходных данных, необходимых для принятия проектного решения. Промежуточная -полученная ранее в результате решения одних задач и используемая для решения других, но не окончательные результаты решения задач. Выходная - полученная как результат решения задач и предназначенная для непосредственного использования в проектировании.

Организационное обеспечение представляет собой совокупность организационных и технических мероприятий, направленных на повышение эффективности функционирования САПР. К ним относятся: изменение организационной структуры проектной организации, ее отделов и подразделений; перераспределение функций между отделами; изменение технологии проектно-изыскательских работ и кадров состава сотрудников,повышение квалификации проектировщиковв сфере САПР, организация и функционирование систем управления качеством проектнойпродукции на основе международных стандартов ISO 9001:2000.

• Назад
• Вперёд