Informatyka Wybrane rda internetowe Certyfikat ECDL http www

Informatyka Wybrane źródła internetowe: Certyfikat ECDL http: //www. ecdl. com (język angielski) http: //www. ecdl. com. pl http: //www. phys. uni. torun. pl/~duch/books-fsk/FSK/ http: //www. phys. uni. torun. pl/~duch/books-fsk/FSPK/ Otwarte wykłady dla studentów we wszystkich dziedzinach: http: //ocw. mit. edu (język angielski) 1

Definicja Informatyki W ujęciu naukowym • Dyscyplina naukowa i gałęzie wiedzy, dotyczące przetwarzania danych przy użyciu środków technicznych (komputerów). Zastosowanie metod matematyki (teorii liczb i logiki) w celu algorytmizacji problemów definiowanych we wszystkich dziedzinach wiedzy. W ujęciu technicznym • Dziedzina wiedzy technicznej (cybernetyka), obejmująca elektrotechnikę, elektronikę, mechanikę, chemię, rozwijana w celu projektowania komputerów i metod programowania. Cele informatyki • Zastosowanie metod i urządzeń informatyki w celu gromadzenia, przetwarzania i udostępniania danych o procesach, zjawiskach, problemach zachodzących w świecie fizycznym w szczególności środowisku człowieka (nauce, organizacjach, procesie wytwórczym) 2

Definicje podstawowe - Liczby • Liczby Naturalne - 1 jest liczbą naturalną, każdy następnik (+1) liczby 1 jest liczbą naturalną, zbiór liczb naturalnych jest nieskończony. przykład zbioru liczb Naturalnych: N = {1, 2, 3, . . . } • Liczby Całkowite: C = N {. . . – 3, -2, -1, 0} • Liczby Rzeczywiste: R = C {. . . 2} 3

Definicje podstawowe - Arytmetyka • Arytmetyka - zbiór liczb, - definicja operacji na zbiorze liczb - przykład: “dodawanie”, “odejmowani” na zbiorze liczb całkowitych, - przykład definicji arytmetyki: A = { N, +, -, 0 } 4

Definicje podstawowe - Zbiory danych i przetwarzanie danych Zbiory danych • skończone zbiory liczb (naturalnych, całkowitych, rzeczywistych), które odwzorowują lub modelują pewne obiekty świata rzeczywistego. Przetwarzanie danych • definicje arytmetyk (operacji na liczbach), • definicje algorytmów (zastosowanie operacji na liczbach), które przez obliczenia odwzorowują zachowanie (zjawiska) obiektów świata rzeczywistego 5

Przetwarzanie danych - przykład konwersji liczb 6

Przetwarzanie danych - przykład dodawania liczb dwójkowych 100100 011011 110011 111100 Wejściowe zbiory danych 000100 011011 001001 000011 Proces przetwarzania (PROGRAM) 101000 110110 111100 111111 Wyjściowe zbiory danych 7

Przetwarzanie danych - przykład zapisu algorytmu Start Pobierz dane z wejścia 1 do pamięci D 1 Pobierz dane z wejścia 2 do pamięci D 2 Wykonaj dodawanie D 1 + D 2 Wynik do pamięci S 1 Wynik z pamięci S 1 podaj na wyjście Stop 8

Przetwarzanie danych za pomocą komputera Wejściowy zbiór danych Algorytm obliczeń Wyjściowy zbiór danych Interfejs wejściowy Komputer Interfejs wyjściowy Pamięci masowe Procesor Program 9

Architektury komputerów Klasyfikacja zależna od wielkości: • Mainframe - „wielkie” komputery, • Supercomputer - „gigantyczne” komputery • Minicomputer, microcomputer - „średnie”, • PC - komputer personalny, • Computer network - sieć komputerów, • Controlers - komputery przemysłowe 10

Architektura - struktura modułowa Pamięć operacyjna Procesor Układ sterowania Magistrala - transmisja danych Interfejsy WEJŚCIA WYJŚCIA Pamięci masowe Kontroler magistrali 11

Przetwarzanie danych - oprogramowanie Typy oprogramowania • Sterowanie komputerem, • Systemy operacyjne, • Aplikacje użytkowe • Aplikacje zintegrowane z systemem operacyjnym, • Aplikacje przemysłowe 12

Oprogramowanie - systemy operacyjne Funkcje systemu operacyjnego: • Zapisywanie - odczytywanie danych na pamięciach masowych, • Uruchamianie aplikacji użytkowych, • Sterowanie interfejsami komputera, • Transmisja danych między komputerami, • Kontrola dostępu do danych i oprogramowania 13

Systemy operacyjne - przykłady • UNIX ™, LINUX ™ - wszystkie typy komputerów, wszystkie urządzenia komputera są zbiorami danych (plikami), • Windows ™ (98, NT, ME, XP, 2000) komputery personalne, możliwość obsługi różnych urządzeń, zastosowanie interfejsu graficznego, zbiory danych na pamięciach masowych, • Inne - Macintosh ™ 14

Aplikacje użytkowe - dziedziny zastosowań • Składowanie i przetwarzanie baz danych, przetwarzanie tekstów i danych numerycznych - wspomaganie zarządzania. • Sterowanie maszynami, urządzeniami i procesem produkcyjnym. • Obliczenia numeryczne i statystyczne w projektach inżynierskich. • Transmisja i udostępnianie danych w sieciach komputerowych. • Przetwarzanie danych reprezentujących obiekty graficzne. 15

Zbiory danych jako zbiory liczb • Zbiory danych są zbiorami liczb, które są miarą obiektów lub odwzorowują obiekty w przetwarzaniu danych, • Zbiory danych są zapisywane w pamięci komputera za pomocą liczb binarnych (dwójkowy) całkowitych, • Zbiory danych, które odwzorowują różne obiekty są zbiorami liczb całkowitych dodatnich i ujemnych, liczb wymiernych (stałopozycyjne, zmiennopozycyjne, ułamkowe), symboli tekstowych (litery), etykiet, napisów i tekstów, i innych. 16

Przykłady zbiorów danych (liczbowe) • Zbiory liczb: • Liczby całkowite, stosowane w odwzorowaniu obiektów przeliczalnych np. : liczebność populacji, identyfikatory obiektów, ilości pewnych obiektów w populacji (np. : {1, 2, 3, … 10, 20, 30, . . . itd. }). • Liczby wymierne, stosowane jako miara cech obiektów charakteryzujących ich fizyczne (np. : rozmiary, temperatura, prędkość, waga itp. lub umowne (porównawcze) właściwości (np. : wartość) (np. : (1. 01, 23. 56, -187. 89, … itd. }). 17

Przykłady zbiorów danych (tekstowe) • Zbiory symboli, które są kodowane liczbami: • Litery alfabetu i znaki pisarskie np. : A, B, C, D, …. , a, b, c, d, !, @, #, %, & itd. • Etykiety, napisy, które są słowami (ciągami liter) zakończonymi wyróżnionym symbolem końca słowa – „spacją”. • Teksty, które są ciągami słów. Teksty są zakończone wyróżnionym znacznikiem końca tekstu („null”). 18

Zbiory danych – kodowanie symboli • Symbole są znakami graficznymi zapisywanymi w pamięci komputera za pomocą liczb. Zarówno „symbol” jak i jego kod muszą być zapisane w pamięci. W tym celu symbol jest definiowany jako zbiór punktów – nazywany „matrycą”. Matryca jest regularnym układem punktów (np. „siatką” o rozmiarach N * M), które tworzą „profil” symbolu – litery. • W przypadku matrycy dwuwymiarowej (N * M), wszystkie punkty są kodowane dwoma liczbami (współrzędnymi), zapisywanymi w pamięci komputera. • Kod symbolu jest liczbą, która wskazuje matrycę symbolu w pamięci komputera 19

Zbiory danych – przykład matrycy i kodu symbolu • Kodowanie symboli (liter i znaków pisarskich) podlega standaryzacji ASCII oraz standaryzacjom pochodnym np. : CE i UNICODE. • Przykład matrycy i „profilu” litery „S” Kody niektórych liter według ASCII: A 65 S 83 B 66 T 84 C 67 U 85 D 68 V 86 20

Zbiory danych – matryca w kodowaniu obrazów • Obrazy, obiekty graficzne dwu, trzy wymiarowe mogą być kodowane odpowiednio matrycami punktów (pixels) dwu i wielowymiarowymi. • Punkt matrycy graficznej posiada takie cechy jak: współrzędne [x, y], jaskrawość, kolor, które są kodowane liczbami całkowitymi. Na przykład: punkt „czerwony”: [1, 1, 100, 3] punkt „zielony”: [2, 1, 100, 5] 21

Zbiory danych – typy i formaty danych • Zbiory danych są liczbami w pamięci komputera, które zostały pobrane z urządzeń interfejsowych wejściowych, następnie są przetwarzane i mogą być przesłane do urządzeń interfejsowych wyjściowych. • Zależnie od obiektów świata rzeczywistego, które te liczby reprezentują definiowane są typy zbiorów danych. • Sposób interpretacji liczb na interfejsach jest nazywany formatem zbioru liczb. • Na przykład zbiór liczb, które są identyfikatorami pewnych obiektów będzie typu „całkowitego” i może posiadać format o „stałej długości” (np. : liczby: 0001, 22 0002, 0100, 2000, itd. )

System plików jako sposób zapisu zbiorów danych w komputerze • Zbiory danych, zapisywane na pamięciach masowych komputera, posiadają nazwy i są nazywane „plikami”. • Dane w pamięci głównej są kopiami zbiorów z pamięci masowych. • Pliki na pamięciach masowych są grupowane (układane) w foldery (kartoteki). • Urządzenia, które są pamięciami masowymi (np. : dyski) posiadają odrębne nazwy (np. : nazwami mogą być pojedyncze litery: A: , B: , C: , …) 23

System plików – charakterystyka 1. System plików jest technicznym sposobem zapisu i nazywania zbiorów danych na urządzeniach komputera. 2. Zapis i odczyt danych w systemie plików wykonywany jest funkcjami systemu operacyjnego lub aplikacji. 3. System plików definiuje sposób nadawania nazw plikom, folderom i urządzeniom. Funkcjonowanie systemu plików jest zależne od pojemności danych i prędkości transmisji danych przez urządzenia. 24

System plików – charakterystyka 4. Charakterystycznymi parametrami systemu plików jest największa pojemność urządzenia, największa ilość plików i folderów zapisywanych na urządzeniu. 5. System plików określa sposób tworzenia nazwy pliku, nazwy folderu i urządzania. Najczęściej nazwa liku składa się z trzech „segmentów”: <nazwa urządzenia><<folder 1> …. ><nazwa pliku>. <ext 1> W typowym systemie plików (FAT, NTFS) segmenty są następujące: <nazwa urządzenia> - „litera i dwukropek” od A: do Z: <folder 1> - nazwa folderu od 1 do 255 znaków <nazwa pliku> - główna nazwa pliku od 1 do 255 znaków. <ext 1> - charakterystyczna nazwa pliku (rozszerzenie) od 1 do 255 znaków 25

Warstwowy model komputera • Zapis i odczyt danych jest wykonywany przez system operacyjny na systemie plików. • Aplikacje odczytują i zapisują dane za pośrednictwem systemu operacyjnego. • W komputerze występują dwa typy urządzeń: - „plikowe” – obsługiwane za pośrednictwem systemu plików, - „strumieniowe” – obsługiwane szybszą metodą, transmisji za pośrednictwem „strumienia bajtów” 26

Warstwowy model komputera Oprogramowanie Interfejs wejściowy APLIKACJA SYSTEM OPERACYJNY Interfejs wyjściowy SYSTEM PLIKÓW Sprzęt Urządzenia pamięci masowych Pamięć główna. Procesor Urządzenia interfejsów (strumieniowych) 27

Sprzęt komputera personalnego (przegląd) • Procesor i pamięć główna • Karta procesora, pamięci i magistrali do urządzeń masowych i interfejsowych • Urządzenia masowe: dyski magnetyczne, optyczne • Interfejsy: wejście i wyjście video i audio • Interfejsy do klawiatury, szeregowy, równoległy, szybki szeregowy, modemu 28

Sprzęt – karta procesora, pamięci i magistrali 29

Sprzęt – procesor, pamięć główna 30

Sprzęt – karty interfejsów 31

Sprzęt PC - Windows ™ 32

Systemy operacyjne • Funkcje systemu operacyjnego: - komunikacja z użytkownikiem komputera, - sterowanie urządzeniami (wewnętrznymi i zewnętrznymi) komputera, - udostępnianie danych na urządzeniach pamięci masowych dla przetwarzania przez aplikacje, - uruchamianie aplikacji, na żądanie użytkownika lub innych aplikacji, przydział zasobów danych uruchomionej aplikacji, - kontrola uprawnień użytkowników i aplikacji do przetwarzania danych, - kontrola funkcjonowania urządzeń komputera. 33

Model warstwowy systemu operacyjnego Interfejsy aplikacji Aplikacje Interfejsy systemu operacyjnego i kontrola uprawnień Monitor systemu operacyjnego Sterowniki urządzeń wewnętrznych (procesor, pamięć, magistrala) Sterowniki urządzeń zewnętrznych (dyski, porty, interfejsy transmisji danych) 34

Zasoby systemu operacyjnego • Zasobami systemu operacyjnego są wszystkie urządzenia (fizyczne) do składowania i transmisji danych: - procesor, pamięć operacyjna, magistrale, - porty (transmisja danych z urządzeniami zewnętrznymi – klawiatura, monitor, drukarka), - pamięci masowe (urządzenia magnetyczne i optyczne, pamięci półprzewodnikowe, - interfejsy urządzeń zewnętrznych (sieć komputerowa, pamięci taśmowe, dyskowe, urządzenia specjalne – manipulatory, wyświetlacze, przetwarzanie sygnałów audio, video i innych) 35

Kontrola zasobów przez system operacyjny • Zasoby komputera są określane „ilością pamięci operacyjnej i pamięci masowych” oraz „czasem procesora”, • Zasoby są dzielone między aplikacje przez system operacyjny, system operacyjny zajmuje pewną ilość pamięci i czasu procesora dla własnego funkcjonowania, • Zasoby są przydzielane i odbierane w czasie przetwarzania aplikacji, brak zasobów powoduje odmowę lub błędy przetwarzania aplikacji 36

System plików i pamięć wirtualna jako zasoby komputera • „System plików” jest zasobem logicznym za pośrednictwem którego kontrolowane są urządzenia pamięci masowych (dyski, sieci komputerowe), • Pamięć operacyjna jest przydzielana jako „zasób bajtowy”, może być kontrolowana „systemem plików” jako „wirtualne urządzenie”, • System operacyjny wykorzystuje urządzenia masowe jako rozszerzenie pamięci operacyjnej, zawłaszczając pewną, znaczną ilość danych na pamięci masowej jako „pamięć wirtualną” 37

Przykład przydziału pamięć operacyjnej wirtualnej System operacyjny Aplikacja 1 Aplikacja 2 Pamięć operacyjna RAM Przydział wirtualny System plików pamięci masowej 38

Struktura modułowa Windows 98 User interface tools Application Registry 32 -bit shell Virtual Machine Manager Installable File System Manager Configuration WDM Driver Manager Device drivers Hardware 39

Transmisja danych między komputerami Komputer - odbiorca Komputer nadawca Zasoby Aplikacja – żądanie transmisji zasobu System operacyjny – sterowanie transmisją Interfejs transmisji danych Aplikacja – żądanie transmisji zasobu Sprzęt transmisji danych Interfejs transmisji danych 40

Sieć komputerów • Sprzęt transmisji danych : - interfejs (karta) sieciowa, - okablowanie do transmisji danych między interfejsami sieciowymi, - urządzenia (koncentratora) łączące komputery w „segmenty” sieci komputerowej • Oprogramowanie do transmisji danych: - systemy operacyjne, usługi transmisji danych i kontroli zasobów, - aplikacje składowania i przetwarzania zasobów danych w sieci komputerowej 41

Sieć komputerowa typu LAN Charakterystyka sieci typu LAN (Sieci komputerowej o zasięgu lokalnym) • Komputery są łączone w „segmenty” transmisji danych. Pojedynczy segment, o rozpiętości do 1000 m, zawiera małą ilość komputerów (od 1 do kilkuset). • Segmenty są łączone w sieć lokalną. • Sposób podłączenia komputerów do segmentów i segmentów w sieci lokalnej jest nazywany topologią sieci. • Każdy interfejs sieciowy (w komputerze) posiada unikalny adres MAC (identyfikator 6 -cio bajtowy). • Duża prędkość transmisji (10 MHZ/100 MHz/1 GHz). • Sprzęt i oprogramowanie jest standaryzowane (dominującymi) normami klasy ‘ETHERNET’. 42

Topologia sieci lokalnej (LAN) Typy topologii: • „magistrala” – wspólna linia transmisji danych dla komputerów segmentu, • „gwiazda” – komputery podłączone do urządzenia rozdzielającego transmisję danych (koncentrator, przełącznik – „repeater”, „switch”), • „mieszana” – dodatkowe urządzenia („mosty”) łączą segmenty o różnej topologii 43

Przykład mieszanej topologii sieci lokalnej Segment typu „gwiazda” 2 1 3 Koncentrator Segment typu „magistrala” 4 5 Most 44

Sieć komputerowa typu WAN Charakterystyka sieci WAN (Sieć „rozległa” o dużym zasięgu) część 1. • Komputery połączone sprzętem zapewniającym transmisję danych na duże odległości od kilkuset metrów do tysięcy kilometrów (np. : za pomocą sieci telefonicznej). Prędkość transmisji zależna od typu złącza (medium) od kilkuset bajtów do milionów bajtów na sekundę (np. : stosując światłowody). • Każdy komputer w sieci WAN posiada indywidualny adres - IP. • Sieć WAN jest dzielona na „domeny” (obszary), które tworzą adresy „domenowe”. Każdy adres domenowy posiada indywidualny adres IP. 45

Sieć komputerowa typu WAN Charakterystyka sieci WAN (Sieć „rozległa” o dużym zasięgu) część 2. • Topologia połączeń sieci WAN jest typu „gwiazda”. Komputery za pośrednictwem „modemów” są łączone z „koncentratorem” (router), który jest zwykle łączony z komputerem o dużej wydajności (serwer). • W sieci WAN jest wykorzystywany sprzęt LAN. Segmenty sieci LAN są łączone ze sobą za pomocą modemów i koncentratorów (router) typu WAN. • Serwery udostępniają zasoby danych komputerom sieci WAN co jest nazywane „usługami” sieci WAN. 46

Przykład (uproszczony) topologii sieci WAN Do domeny sieci WAN IP 3 IP 4 modem Segment sieci LAN modem IP 5 IP 6 Router IP 2 IP 1 LAN Domena sieci WAN 47

Usługi serwerów sieci WAN – część 1. • Funkcja transmisji danych w sieci komputerowej jest wykorzystywana dla realizacji usług ‘udostępniania zasobów’. • Zasoby mogą być udostępnianie przez wszystkie komputery sieci WAN, które posiadają tzw. Publiczny adres IP. • Wyróżnione komputery, serwery, realizują usługi o znaczeniu ogólnym dla komputerów sieci WAN 48

Usługi serwerów sieci WAN – część 2. Usługi (ważniejsze) serwerów sieci WAN: • DNS – zamiana adresu domenowego w adres IP. • Poczta elektroniczna. • Publikacja stron WWW (hypertext), • DHCP – przydział adresu IP. • Pozostałe usługi jak komunikatory, bazy danych, dzienniki, e-handel, e-banki. 49

A WAN services example - the html files processing User workstation Server of html files 1 The user requirements of the html file sending The file is sending 2 3 The html file is processing and visualizing 50

A WAN services example - the php files processing User workstation Server of html files 1 The pharser translate the php code to the html code 2 The user requirements of the php file sending The html ‘image’ of the php file is sending 3 4 The html file is processing and visualizing 51