Dr Alina Prątnicka (materiały dydaktyczne do przedmiotu INFORMATYKA)

Instytut Geodezji

Wydział Geodezji i GP

1. PODSTAWOWE WIADOMOŚCI O KOMPUTERACH

1. Istota informatyki

INFORMATYKA jest to zespół dyscyplin naukowych i technicznych zajmujących się przetwarzaniem informacji przy użyciu środków automatycznych .Tymi automatycznymi środkami są maszyny cyfrowe zwane ogólnie komputerami.

Definicja INFORMATYKI opracowana w 1989 roku przez Association for Computing Machinery:

„Informatyka to systematyczne badanie procesów algorytmicznych, które charakteryzują i

przetwarzają informację, teoria,analiza, projektowanie,badanie efektywności ,implementacja i zastosowanie procesów algorytmicznych.

Podstawowe pytanie informatyki to: co można(efektywnie) zalgorytmizować”.

Z czego wynika pojęcie maszyna cyfrowa?

Przy przekazywaniu informacji maszynie następuje zamiana informacji z postaci zewnętrznej na wewnętrzną.

Typowe postacie informacji zewnętrznej to liczby , znaki tekstowe , obrazy i dźwięki.

Natomiast język wewnętrzny jest językiem kodów liczbowych przedstawionych za pomocą cyfr ,najczęściej systemu dwójkowego (binarnego) .Tymi cyframi są 0 i 1 .Każda z tych cyfr jest bitem .

Liczbę w systemie dwójkowym ( (L)₂ ) możemy zapisać w postaci :

(L)₂ = a _n 2 ⁿ +a _n-12 ^n-1 + ... + a ₀2⁰ (część całkowita )

lub

(L)₂ = a _-12 ^-1 +a _-22 ^-2 + ...+ a _-n 2 ^-n (część ułamkowa )

gdzie a _i to 0 lub 1.

Jak widać liczby w systemie dwójkowym zapisujemy podobnie jak liczby w systemie

dziesiętnym , tylko podstawą systemu dwójkowego jest liczba 2 ,

np.

(L)₂ =100.01 = 1*2² + 0*2¹ + 0*2⁰ + 0*2^-1 +1*2^-2 = 4 +0.25 = (4.25)₁₀

gdzie (L)₁₀ jest liczbą w systemie dziesiętnym.

System dwójkowy stosowany jest w komputerach najczęściej dlatego , że każdy układ czy przyrząd pobudzony sygnałem przechodzi z jednego z dwóch możliwych stanów do drugiego. Wiele układów i przyrządów elektronicznych z natury swej są dwustanowe .

Na przykład lampa elektroniczna czy tranzystor mogą się znajdować w dwóch stanach:

przewodzenia i nie przewodzenia , stanie braku prądu i stanie przepływu prądu .

Realizacja techniczna procedur dwustanowych przy układach elektronicznych jest znacznie

łatwiejsza .

JEDNOSTKI POJEMNOŚCI PAMIĘCI

Bit - 0 lub 1

Bajt (B) - ciąg 8 Bitów

Kilobajt (KB) - 1024 B (2¹⁰ B)

Megabajt (MB) - 1024 KB (2¹⁰ KB)

Gigabajt (GB) - 1024 MB (2¹⁰ MB ).

1.2 Historia rozwoju komputeryzacji

Generacje komputerów:

Generacja 0- przekaźnikowa (1936 - 1945 ).

Komputery z tego okresu można uważać jako szybkie kalkulatory do obliczeń arytmetycznych (np. ZUSE , MARK ).

Generacja 1 - lampowa ( 1946 - 1958 ).

Jest to okres specjalizacji w zastosowaniach maszyn cyfrowych.. Komputery stosowane są do obliczeń numerycznych i przetwarzania danych ekonomicznych . (np. ENIAK ,

UNIVAC,XYZ , IBM -701 , IBM - 650 ,UMC -10).

Generacja 2 - tranzystorowa ( 1959 -1964 ).

Generację tę charakteryzuje pojawienie się komputerów uniwersalnych , realizujących

dowolne zadania obliczeniowe naukowo - techniczne i przetwarzania ekonomiczne .

( np. IBM - 7090 , CDC - 6600 , MIŃSK - 32 , ODRA - 1304 ) .

Generacja 3- układy scalone ( 1965-1969 )

- układy scalone małej skali integracji ( np. IBM 360 ,ODRA 1305 ).

Generacja 4-układy scalone (1969-1981…)

• 1969 - 1975 - układy scalone średniej skali integracji ( np. AADC ),

• 1976 - 1980 - układy scalone dużej skali integracji (np. IBM 370 ),

• od 1981 - układy scalone bardzo dużej skali integracji .Generację tę cechuje pojawienie

się sieci komputerowych ,mini - i mikro komputerów oraz podprogramów wbudowanych

w sprzęt. Zaczęto również stosować technologię baz danych oraz następuje rozwój oprogramowania ułatwiającego wykorzystanie sprzętu komputerowego. Sprzęt zaczyna

być coraz tańszy i bardziej dostępny dla człowieka .

Analiza rozwoju sprzętu komputerowego pozwala na stwierdzenie , że nowe rozwiązania techniczne pojawiały się co 7 lat. Przynosiły one wzrost pojemności pamięci

oraz blisko 10 - krotne potanienie zestawu komputerowego .

Generacja 5 - to obecny okres .

Przewiduje i w zasadzie już umożliwia realizacje obrazów fonicznych i tekstowych

oraz kontakt człowieka z komputerem za pomocą języka naturalnego , sztuczna

inteligencja,nowe architektury,neurokomputery,biokomputery,obliczenia przy pomocy

DNA,komputery kwantowe.

1.3 Ogólne zasady działania komputerów

Komputer składa się z urządzeń do czytania danych , ich przetwarzania i zapisu wyników .

Jego budowa jest modułowa , co oznacza , że konfigurację i związane z tym możliwości można zmieniać i uzupełniać w zależności od potrzeb użytkownika .

Pomimo dużej różnorodności produkowanych komputerów ich schemat funkcjonalny wygląda podobnie .

KOMPUTER = jednostka centralna + urządzenia zewnętrzne ,

JEDNOSTKA CENTRALNA = procesor + pamięć operacyjna + kanały ,

PROCESOR = arytmometr + jednostka sterująca ,

URZĄDZENIA ZEWNĘTRZNE = pamięci zewnętrzne + urządzenia wejścia + urządzenia

wyjścia ,

PAMIĘĆ ZEWNĘTRZNA :

- pamięć dyskowa ( dysk twardy , dysk elastyczny , dysk optyczny : np. CD ROM,WORM )

- pamięć taśmowa (streamer )

URZĄDZENIA WEJŚCIA

• klawiatura

• kaseta

• mysz

• manipulator kulowy

• pióro świetlne

• czytnik optyczny

• dysk elastyczny

• dysk optyczny

• mikrofon

• digitizer

• skaner

• kamera

• aparat cyfrowy

• modem

URZĄDZENIA WYJŚCIA

• monitor

• drukarka

• dysk elastyczny

• dysk optyczny

• ploter

• głośnik

PROCESOR - urządzenie sterujące pracą komputera i kontrolujące poprawność

wykonywania operacji .

ARYTMOMETR - urządzenie realizujące wszystkie operacje arytmetyczne i logiczne .

JEDNOSTKA STERUJĄCA - zespół układów logicznych kierujących wymianą informacji

pomiędzy poszczególnymi blokami komputera i

kontrolujących ich działanie .

PAMIĘC OPERACYJNA - ( pamięć wewnętrzna ) służy do przechowywania oraz pobierania

danych ( informacji ) .Pamięć ta przechowuje informacje

sterujące ( programy ) oraz dane podlegające przetwarzaniu .

Istnieją dwa typy pamięci operacyjnej :

• ROM - pamięć stała (ang. read only memory ) ,martwa .Magazynowane są w niej

programy podstawowe uruchamiające komputer i sterujące urządzeniami

wejścia / wyjścia , które mogą być odczytywane wielokrotnie , natomiast nie

mogą być modyfikowane . Informacja jest zapisywana trwale .

• RAM - pamięć zmienna (ang.random acces memory ), żywa .Zawartość tej pamięci może

być modyfikowana na życzenie , może być używana dowolną ilość razy.

Pamięć RAM dzieli się na :

• pamięć konwencjonalna - pierwsze 640 KB pamięci RAM .System DOS (system

operacyjny ) używa jej do załadowania uruchamianych przez siebie programów i

niektórych swoich plików .

• pamięć górna - pomiędzy 640 KB i 1 MB .Obsługiwana wyłącznie przez DOS ,

ale w DOS 5.0 6.0 można tam umieścić sterowniki urządzeń i niektóre małe programy ,

szczególnie programy rezydentne .

• pamięć wysoka rozszerzona - powyżej 1MB , możliwa do użycia od chwili pojawienia się

na rynku wersji DOS 5.0 .Pierwsze 64 KB to tzw. pamięć wysoka .

Zaleca się stosowanie pamięci górnej i rozszerzonej . Używając ich uwalnia się pamięć

konwencjonalną , która dzięki temu może obsługiwać programy szybciej i efektywniej .

Obecnie stosowane pamięci RAM mają najczęściej wielkości 16 MB i więcej .

Popularne środowisko Windows wymaga do dobrego działania co najmniej 4 MB.

KANAŁ - urządzenie przeznaczone do przesyłania danych zwykle między urządzeniami

zewnętrznymi komputera a jego pamięcią operacyjną , niezależnie od działania

innych układów .

URZĄDZENIA WEJŚCIA - WYJŚCIA - służą do wprowadzania danych podlegających

przetwarzaniu oraz programu pracy komputera i wyprowadzaniu informacji.

Co oznaczają pojęcia komputer , minikomputer , mikrokomputer ?

Komputer - pojęcie ogólne .

Minikomputer - pojawił się w momencie miniaturyzacji gdy pojawiły się małe komputery ,

które mieściły się na biurku .

Mikrokomputer - komputer ,którego jednostką centralną jest mikroprocesor.

MIKROPROCESOR - jednostka centralna uniwersalnego komputera wykonana jako układ o

dużym stopniu scalenia .W jednym układzie scalonym umieszczono

większość skomplikowanych układów elektronicznych składających

się na procesor .

Najpopularniejszym komputerem stosowanym w Polsce jest mikrokomputer typu

IBM PC .Przykłady znanych klas tego komputera to : XT (1983 r. ) , AT ( od 1984 r .)

oparty na procesorze INTEL 80286 , AT/386 - procesor INTEL 80386 , AT/486 (od 1989 r .) procesor INTEL 80486 ,Pentium - procesor 80586 ...

1.4 Oprogramowanie komputera

System komputerowy to nie tylko sprzęt komputerowy (ang. Hardware ) ,lecz zestaw różnorodnego sprzętu komputerowego wraz z oprogramowaniem (ang. Software) .

Sprzęt komputerowy sam z siebie nie może wykonywać żadnych funkcji .Potrzebne jest

oprogramowanie , które ożywi martwy sprzęt komputerowy ,zmuszając go do wypełnienia najrozmaitszych czynności wynikających z potrzeb użytkownika .

Oprogramowanie komputera dzieli się na :

1.Oprogramowanie systemowe- podstawowe,bez którego komputer nie będzie działał.

2.Oprogramowanie narzędziowe ,usprawnia konfigurację ,zabezpiecza lub naprawia

system.

3.Oprogramowanie użytkowe,zwane też aplikacyjnym,aplikacjami.

Przykłady oprogramowania podstawowego :

1. systemy operacyjne zarządzające pracą całego komputera - np.:

MS DOS ,

UNIX ,

LINUX,

WINDOWS NT-(od 1993r.ang.Windows New Technology)- sieciowy system

operacyjny,

WINDOWS 98,

WINDOWS 2000-(od końca 1999r. ),

WINDOWS CE(przeznaczony dla Palmtopów, czyli małych komputerów),

WINDOWS XP(czyli eXPerience)-od 2001r

Przykłady oprogramowania narzędziowego:

1. programy diagnostyczne służące do testowania sprzętu komputerowego i

ułatwiające lokalizację uszkodzeń - np.: PC Tools , Norton Utilities ,Everest,

2. programy antywirusowe -np.: MKS_VIR , SCAN ,Antywirus, Fire Wall',

ArcaVir 2005-ochrona w sieci

3. programy do archiwizacji danych-np.; 7zip'a ,WinRar,

4. programy do odzyskiwania danych np.:EasyRecovery

Przykłady oprogramowania Użytkowego:

1. Office Macrostation,

2. Open Office.org-konkurent Office M.,

3. ZPK. Soft Tłumacz-darmowy słownik języków obcych,

4. programy muzyczne np.: Winami,MP3Compressor,

5. Oprogramowanie graficzne -do tworzenia grafiki(również wektorowej i animacji)np.:Corel,PhotoShop,Gimp,Paint,

6. Oprogramowanie do obróbki filmów (do tworzenia i przetwarzania)np.:RealPlayer,Vplayer,PowerDVD,

7. Translatory języków programowania - np.: Turbo Pascal , C++ , Basic ,

8. Programy wspomagające projektowanie - np.: AutoCad , Harward Graphic,

9. systemy informacji geograficznej - np.: pakiety GIS (Geografical Information Systems )- np.: INFOCAD , ARC/INFO , GEO INFO , SICAD.

10. Programy do obliczeń z zakresu geodezji np.: C-geo,Winkalk.

2. PROGRAMOWANIE

2.1 Program

Poza oprogramowaniem standardowym dostępnym na rynku możemy pisać własne

programy potrzebne do realizacji różnych zadań z którymi spotykamy się w czasie nauki

jak również w pracach badawczych i zawodowych.. To nie jest wcale takie trudne .Poczytaj i

przeanalizuj cytowane programy .Napisanie własnych programów na pewno nie sprawi

kłopotu.

Program jest to algorytm rozwiązania zadania czy problemu ,napisany w języku zewnętrznym zrozumiałym dla komputera .

Język zewnętrzny , w którym programista opracowuje program zależy od możliwości komputera , rodzaju problemu i dostępu do odpowiedniego translatora języka .

2.2 Etapy programowania

1. sformułowanie problemu i analiza zadania ,

2. wybór właściwej metody numerycznej i opracowanie algorytmu w postaci opisowej,

3. napisanie programu w wybranym języku,

4. uruchomienie i testowanie programu ,

5. przygotowanie programu do eksploatacji - sporządzenie dokumentacji programu .

2.3 Języki programowania

Powyższy schemat przedstawia jedną z propozycji podziału języków programowania :

1. Ze względu na sposób kodowania wyróżniamy:

• język wewnętrzny

• język zewnętrzny

2. Ze względu na stopień szczegółowości i podobieństwo do języka naturalnego języki

zewnętrzne dzielą się na:

• język niskiego poziomu (zorientowane maszynowo np. Assembler)

• język wysokiego poziomu (niezależne od maszyny )

3. Ze względu na zastosowania języki wysokiego poziomu dzielą się na:

• język zorientowany problemowo (np. dBase )

• język uniwersalny (np. Fortran , Basic , Turbo Pascal , C++)

2.4 Algorytm

Algorytm jest to ścisły przepis postępowania prowadzący do rozwiązania określonego

zadania .

Algorytm można przedstawić w trzech postaciach .

• opis słowny

• schemat blokowy (sieć działań ) -postać graficzna

• program (napisany w określonym języku )

2.5 Sieci działań ( schematy blokowe )

Symbole

SYMBOL	NAZWA OPERACJI	OPIS-przykład instrukcji
	Przetwarzanie	Operacja lub grupa operacji , w wyniku których ulega zmianie wartość, postać lub miejsce zapisu danych (instrukcja podstawiania) .
	Wprowadzenie informacji	Instrukcja wejścia Np. .READLn READ
	Wyprowadzenie informacji	Instrukcja wyjścia Np. WRITELn WRITE
	Początek	Oznaczenie miejsca rozpoczęcia programu .
	Koniec lub przerwa	Oznaczenie miejsca zakończenia lub przerwania programu .
	Decyzja	Operacja określająca wybór jednej z alternatywnych dróg działania . Instrukcja warunkowa np. IF
	Proces iteracyjny	Modyfikacja rozkazu lub grupy rozkazów . Instrukcja cyklu Np. FOR ,WHILE
	Łącznik stronicowy
	Droga przepływu danych o wskazanym kierunku przepływu

Rodzaje schematów blokowych

1. prosty (liniowy)

2. z rozgałęzieniem

3. z pętlą

4. złożony

Przykłady :

ad1. Schemat liniowy (wyznaczenie długości odcinka ze współrzędnych prostokątnych )

ad2 . Schemat z rozgałęzieniami (wyznaczenie wartości funkcji F w zależności od wartości

argumentu )

ad3 . a) Schemat z pętlą (wyznaczenie sumy wielu liczb )

ad3. b) Schemat z pętla ( wyznaczenie sumy i średniej arytmetycznej z N liczb)

ad.4 Schemat złożony (wyznaczenie sumy liczb<0 i sumy liczb
0 z ciągu N liczb

wczytanych z klawiatury ).

2.6 Translacja i translatory

Program napisany w języku zewnętrznym (np. w Pascal - u lub w Basic - u ) nie może być wykonywany bezpośrednio przez komputer .Musi być przetłumaczony na język wewnętrzny komputera . Proces tłumaczenia - translacja realizowany jest przez specjalny

program tłumaczący zwany translatorem .

Metody translacji

1.kompilacja

2.interpretacja

2.6.1 Rodzaje translatorów i różnice w ich działaniu

1.kompilator

2.interpreter

Podczas kompilacji program źródłowy napisany w języku zewnętrznym jest całkowicie

tłumaczony na język wewnętrzny .Powstaje program wynikowy ,który może być wykonywany bez środowiska kompilatora.

Proces kompilacji i wykonania skompilowanego programu przedstawia poniższy schemat :

Proces interpretacji przebiega inaczej. Tłumaczone są kolejne linie programowe i wykonywane .Przetłumaczone linie programowe ( instrukcje ) nie są pamiętane .Każde wykonanie programu wymaga ponownego tłumaczenia programu linia po linii.

Nie powstaje program wynikowy , który może działać bez interpretera .Jak widać na

schemacie nie można oddzielić procesu interpretacji od procesu wykonania programu .

1

JEDNOSTKA CENTRALNA

PAMIĘĆ OPERACYJNA

RAM ROM

PROCESOR

JEDNOSTKA ST.

ARYTMOMETR

K

A

N

A

Ł

K

A

N

A

Ł

URZADZENIAWYJŚCIA

URZĄDZENIA
WEJŚCIA

KANAŁ

PAMIĘCI

ZEWNĘTRZNE

START

STOP

START

X1 ,Y1

X2 , Y2

Dx =X2 -X1

Dy =Y2 - Y1

L =

L

STOP

START

X

X < 0

F = sin(1+X² )

F = 1+X²

F

STOP

START

S = 0

Liczba

S = S + Liczba

S

START

STOP

S ,S / N

S = S + Liczba

Liczba

K = 1 ( 1 ) N

S = 0

N

START

Liczba

K = 1 ( 1 ) N

S1 = 0 , S2=0

N

S1 ,S2

nie

tak

STOP

Liczba< 0

S2=S2+liczba

S1=S1+liczba

KOMPILATOR

PROGRAM

WYNIKOWY

PROGRAM

ŹRÓDŁOWY

KOMPUTER

PROGRAM

WYNIKOWY

DANE

KOMPUTER

WYNIKI

INTERPRETER

KOMPUTER

DANE

WYNIKI

PROGRAM ŹRÓDŁOWY

Klasyfikacja języków programowania

JĘZYKI PROGRAMOWANIA

JĘZYK WEWNĘTRZNY

JĘZYK ZEWNĘTRZNY

JĘZYK WYSOKIEGO POZIOMU

JĘZYK NISKIEGO POZIOMU

JEZYK UNIWERSALNY

JEZYK PROBLEMOWY

---