Аппаратное обеспечение. Программное обеспечение

Разбор темы

Аппаратное обеспечение и конфигурация компьютера 8–9, 11 класс

Аппаратное обеспечение (hardware) — это физические устройства. Главные из них: процессор (выполняет команды), оперативная память ОЗУ (хранит запущенные программы и данные, стирается при выключении), ПЗУ/BIOS (хранит программу начальной загрузки), внешняя память (HDD, SSD, флешки), видеокарта, материнская плата с шинами, устройства ввода (клавиатура, мышь, сканер, микрофон) и вывода (монитор, принтер, колонки).

Основные характеристики процессора: тактовая частота (ГГц), число ядер, разрядность (32 или 64 бита — сколько бит обрабатывается за одну операцию), объём кэш-памяти. Больше ядер и выше частота — быстрее работа, но производительность зависит от всей системы: медленный HDD или малый объём ОЗУ становятся «узким горлышком».

ОЗУ характеризуется объёмом (8, 16, 32 Гбайт) и частотой; накопитель — типом (HDD — магнитные пластины, дёшево и много; SSD — флеш-память, без движущихся частей, в несколько раз быстрее), объёмом и скоростью чтения/записи. Разрядность шины адреса определяет, сколько памяти можно адресовать: $2^{32}$ байт = 4 Гбайт, поэтому 32-разрядная система «видит» не больше 4 Гбайт ОЗУ.

Конфигурацию выбирают по назначению: для офиса и учёбы хватит среднего процессора, 8 Гбайт ОЗУ и SSD; для игр и 3D важны мощная видеокарта и 16–32 Гбайт ОЗУ; для монтажа видео — многоядерный процессор, много ОЗУ и быстрый SSD большого объёма; сервер — надёжность, много памяти, несколько дисков.

Мобильные устройства (планшеты, смартфоны) устроены так же, но процессор, графика и контроллеры собраны в одну микросхему — систему на кристалле (SoC). Их сравнивают по процессору, ОЗУ, встроенной памяти, разрешению и диагонали экрана, ёмкости аккумулятора (мА·ч), камерам, поддержке сетей.

Виртуальная машина — программа, которая имитирует отдельный компьютер внутри настоящего: на одном ПК можно запустить Linux внутри Windows (VirtualBox, VMware, Hyper-V). Применяют для тестирования программ, запуска старых систем и безопасной проверки подозрительных файлов. Закономерность развития техники (закон Мура): число транзисторов на кристалле примерно удваивается каждые два года, а программы становятся всё требовательнее к ресурсам.

Классификация программного обеспечения 6, 9 класс

Системное ПО обеспечивает работу самого компьютера: операционные системы (Windows, Linux, macOS, Android, iOS), драйверы устройств, утилиты (дефрагментация, проверка и очистка диска, архиваторы, диспетчер задач), антивирусы (в школьных учебниках их относят к системным утилитам или к сервисным программам).

Инструментальное ПО (системы программирования) нужно программистам: трансляторы (компиляторы и интерпретаторы), редакторы кода и интегрированные среды разработки IDE (IDLE, PyCharm, Visual Studio Code), отладчики, библиотеки. Интерпретатор Python — это инструментальное ПО.

Прикладное ПО решает задачи пользователя. Общего назначения: текстовые редакторы и процессоры (Блокнот, MS Word, LibreOffice Writer), электронные таблицы (Excel), графические редакторы (Paint, Photoshop, GIMP), презентации (PowerPoint), СУБД (Access), браузеры, почтовые клиенты, мессенджеры, медиаплееры. Специального назначения: бухгалтерия (1С), системы автоматизированного проектирования САПР (AutoCAD), обучающие программы, игры, ГИС, медицинские системы.

Как выбрать ПО под задачу (цель 9.1.2.1): определить, что нужно сделать (набрать текст, обработать фото, посчитать бюджет), проверить совместимость с ОС и «железом» (системные требования), сравнить стоимость и лицензию, удобство интерфейса, наличие поддержки и обновлений.

Операционная система и её функции 6, 9 класс

Операционная система (ОС) — главная системная программа; она загружается первой и работает всё время. Порядок включения: BIOS/UEFI из ПЗУ проверяет оборудование (POST) → загрузчик → ядро ОС загружается с диска в ОЗУ → запускается интерфейс.

Функции ОС: управление ресурсами (распределяет время процессора, оперативную память, доступ к устройствам между программами); управление файлами (файловая система: создание, копирование, удаление, поиск); запуск и завершение программ, многозадачность; взаимодействие с устройствами через драйверы; интерфейс пользователя; защита данных (учётные записи, пароли, права доступа).

Интерфейс бывает командным (командная строка: dir, cd, copy в Windows, ls, cd, cp в Linux) и графическим (окна, значки, меню, указатель мыши). ОС бывают однопользовательскими и многопользовательскими, однозадачными (MS-DOS) и многозадачными (Windows, Linux).

Драйвер — посредник между ОС и устройством. Новое устройство без драйвера не заработает (или будет работать не полностью); технология Plug and Play позволяет ОС автоматически находить и ставить драйверы. Обновление драйверов часто исправляет ошибки и ускоряет работу.

Файлы, каталоги и пути 5–7 класс

Файл — именованная область внешней памяти. Имя файла состоит из собственно имени и расширения, разделённых точкой: отчёт.docx. Расширение показывает тип: .txt — текст; .docx, .pdf — документы; .xlsx — таблица; .pptx — презентация; .jpg, .png, .bmp, .gif — изображения; .mp3, .wav — звук; .mp4, .avi — видео; .exe — исполняемая программа Windows; .py — программа на Python; .html — веб-страница; .zip, .rar, .7z — архивы.

В Windows имя файла не может содержать символы \ / : * ? " < > |; длина полного имени традиционно ограничена 260 символами. Регистр букв в Windows не различается (A.txt и a.txt — один файл), в Linux различается.

Файлы хранятся в каталогах (папках), каталоги могут быть вложены друг в друга — получается дерево. Вершина дерева на диске — корневой каталог (C:\). Путь — последовательность каталогов от корня до файла; полное имя файла = путь + имя: C:\Учёба\10класс\Информатика\test.py. В Windows разделитель — обратная косая черта \, в Linux и в интернет-адресах — прямая / (/home/ali/test.py).

Абсолютный путь начинается от корня диска, относительный — от текущего каталога. Обозначение .. — родительский каталог (на уровень выше), . — текущий каталог. Например, из C:\A\B\C путь ..\..\D\f.txt ведёт к C:\A\D\f.txt.

Файловая система — способ организации и хранения файлов на носителе. В Windows используются NTFS (основная, поддерживает права доступа и большие файлы) и FAT32 (старая, совместима со всем, но файл не больше 4 Гбайт), на флешках часто exFAT; в Linux — ext4; в macOS — APFS. Перед первым использованием носитель форматируют — создают на нём файловую систему (все данные при этом удаляются).

Маски имён файлов 7–9 класс

Маска — шаблон для выбора группы файлов. Символ * заменяет любую последовательность символов, в том числе пустую; символ ? заменяет ровно один любой символ. Остальные символы должны совпасть точно.

Примеры: *.* — все файлы; *.txt — все текстовые; a* — начинаются на «a»; ???.doc — имя ровно из трёх символов и расширение doc; *2026* — в имени где-то есть «2026»; photo?.jpg подходит к photo1.jpg, но не к photo.jpg и не к photo12.jpg.

Как проверять: идём по маске и имени слева направо. Каждый ? «съедает» один символ, точные символы должны совпасть, а * может растянуться на столько символов, сколько нужно, чтобы остальная часть маски совпала. Точка в маске тоже точный символ.

from fnmatch import fnmatchcase
print(fnmatchcase('photo1.jpg', 'photo?.jpg'))   # True
print(fnmatchcase('photo.jpg', 'photo?.jpg'))    # False

Архивация и сжатие данных 7 класс

Архивация — упаковка одного или нескольких файлов в один файл-архив, как правило, со сжатием. Зачем: экономия места, быстрая передача по сети, удобство (одна папка = один файл), резервное копирование. Программы-архиваторы: WinRAR, 7-Zip, WinZip, встроенный архиватор Windows; форматы .zip, .rar, .7z, .tar.gz.

Сжатие без потерь (ZIP, RAR, 7z, PNG) позволяет восстановить файл точь-в-точь — так сжимают тексты и программы. Сжатие с потерями (JPEG, MP3, MP4) выбрасывает малозаметные для человека детали и даёт гораздо меньший размер, но исходник уже не восстановить. Идея простейшего алгоритма RLE: AAAABBB → 4A3B — повторы заменяются счётчиком.

Хорошо сжимаются тексты, таблицы, BMP-рисунки (в них много повторов). Почти не сжимаются уже сжатые файлы: JPEG, MP3, MP4, ZIP — повторная архивация может даже немного увеличить размер. Поэтому один и тот же рисунок в BMP весит в разы больше, чем в PNG или JPEG (цель 7.1.2.1).

Дополнительные возможности архиваторов: самораспаковывающийся архив SFX (файл .exe, распаковывается без архиватора), многотомный архив (разбит на части заданного размера), архив с паролем, добавление информации для восстановления. Коэффициент сжатия $k = V_{\text{исх}}/V_{\text{арх}}$: если 40 Мбайт сжали до 10 Мбайт, то $k = 4$, объём уменьшился на 75%.

Лицензии и авторское право 5, 11 класс

Программа — объект авторского права (в Казахстане — Закон РК «Об авторском праве и смежных правах» от 10 июня 1996 года). Покупая программу, пользователь получает не саму программу, а лицензию — право её использовать на условиях лицензионного соглашения (EULA).

Проприетарное (коммерческое) ПО — платное, исходный код закрыт, копирование и изменение запрещены (MS Windows, MS Office, Photoshop). Условно-бесплатное (shareware) — можно бесплатно пользоваться ограниченное время или с урезанными функциями, потом нужно купить (пробные версии, WinRAR). Бесплатное (freeware) — бесплатно, но код закрыт и менять программу нельзя (Google Chrome, Skype).

Свободное ПО и ПО с открытым исходным кодом (free/open source) — исходный код доступен, программу можно изучать, изменять и распространять (Linux, LibreOffice, GIMP, Python, Firefox). Лицензия GNU GPL требует, чтобы изменённые версии тоже оставались открытыми. Важно: «свободное» означает свободу, а не обязательно бесплатность. Общественное достояние (public domain) — программы без авторских ограничений.

Использование и распространение взломанных («пиратских») программ нарушает закон и опасно: такие сборки часто содержат вирусы и не получают обновлений безопасности.

Языки программирования и трансляторы 6, 10–11 класс

Процессор понимает только машинный код — последовательности нулей и единиц. Поколения языков: 1-е — машинные коды; 2-е — ассемблер (мнемоники MOV, ADD вместо чисел, язык низкого уровня); 3-е — языки высокого уровня (Fortran, C, C++, Pascal, Java, Python); 4-е — проблемно-ориентированные, близкие к естественному языку (SQL, языки отчётов); 5-е — декларативные и языки искусственного интеллекта (Prolog, визуальные конструкторы).

Чем ниже уровень, тем ближе язык к «железу» и тем быстрее программа, но тем труднее писать. Языки высокого уровня понятны человеку и не зависят от конкретного процессора — программу переводит транслятор.

Компилятор переводит всю программу целиком в машинный код и создаёт исполняемый файл (.exe); затем программа запускается без компилятора и работает быстро. Ошибки выдаются все сразу при компиляции. Компилируемые языки: C, C++, Pascal, Go, Rust.

Интерпретатор читает программу по одной команде, сразу переводит и выполняет её; отдельный исполняемый файл не создаётся, для каждого запуска нужен интерпретатор. Программа выполняется медленнее, но её легко отлаживать: она работает до первой ошибки. Интерпретируемые языки: Python, JavaScript, PHP. (Python сначала переводит код в промежуточный байт-код, но для ЕНТ его считают интерпретируемым.)