Профильная школа. Экзамены

Примерные ответы на профильные билеты

1. Классификация и характеристика программного обеспечения компьютера. Взаимосвязь аппаратного и программного обеспечения компьютера. Многообразие операционных систем. Понятие о системном администрировании. Программные и аппаратные средства для решения различных профессиональных задач.

Классификация и характеристика программного обеспечения компьютера

Работой компьютера управляет программа. Все программы компьютера, которые хранятся в его внешней памяти, образуют программное обеспечение (ПО). Многообразие программ для компьютеров можно классифицировать следующим образом (см. табл. 1).

ПО можно разделить на две большие категории: системные программы и прикладные программы.

Таблица 1

Системные программы предназначены для управления техническими и программными средствами компьютера, организации диалога с пользователем, для разработки новых программ. Изучают работу системных программ специалисты в области информатики.

Основу системного ПО составляют операционные системы. Самая популярная в настоящее время операционная система для персональных компьютеров — Windows XP. При включении компьютера операционная система загружается в оперативную память и организует выполнение всех других программ, взаимодействие пользователя с программами и компьютером.

Утилита — это системная программа, выполняющая некоторую специализированную функцию, например, оптимизацию дисковой памяти, защиту от вирусов.

Системы программирования предназначены для создания новых программ. Из школьного курса известны системы QBasic, Turbo Pascal, Delphi, Visual Basic. Обычно система программирования содержит небольшой текстовый редактор для написания программы, средства синтаксического контроля, транслятор для перевода программы на машинный язык, редактор связей для подключения стандартных функций и процедур, отладчик.

Прикладное ПО используется для решения определенных информационных задач пользователя. Благодаря прикладным программам компьютеры используют в различных областях деятельности человека, а также для игр и развлечений. Прикладное ПО можно разделить на три части: программы общего назначения, программы специального назначения и профессионального уровня.

Прикладное ПО общего назначения включает следующие программы.

Текстовые редакторы и издательские системы. Примеры текстовых редакторов — Блокнот, WordPad, Word. Текстовые редакторы позволяют вводить, обрабатывать и печатать текстовую информацию. Издательские системы имеют более мощные функции для верстки текста. Примеры: PageMaker, Ventura Publisher.

Табличные процессоры обрабатывают информацию, представленную в виде таблиц. Основное их достоинство — при вводе новых данных производится мгновенный пересчет по формулам, числовые данные отображаются в графических диаграммах. Пример — MS Excel.

Графические редакторы позволяют строить статические и динамические изображения, редактировать изображения, введенные с помощью сканера и видеокамеры. Примеры: Paint, Photoshop, CorelDraw.

Музыкальные редакторы могут работать с аудиофайлами различных форматов, редактировать их и создавать звуковые эффекты, например, редактор Sound Forge.

Системы управления базами данных предназначены для манипулирования большими объемами данных, организованными в базы данных. Пример — СУБД для персонального компьютера Access.

Программы разработки презентаций создают слайд-фильмы для докладов и рекламных сообщений, пример — PowerPoint. На слайд можно поместить любую информацию: текст, графику, анимацию, таблицу, диаграмму, звуковые эффекты.

Программы-браузеры позволяют работать пользователю с ресурсами Интернета, просматривать web-страницы. Пример — Internet Explorer.

Рассмотрим программы специального назначения.

Авторские системы предоставляют пользователю стандартный интерфейс для выполнения работ в некоторой предметной области.

Экспертные системы решают задачи с неполными исходными данными, требующие экспертных знаний. Отличительной чертой экспертных систем является их адаптивность, самообучение. В состав экспертной системы входят база знаний (компьютерная модель знаний специалиста в конкретной области) и модуль логического вывода. Экспертные системы распространены в науке, технике, медицине.

Гипертекстовые системы организуют иерархию нескольких текстовых документов с помощью гиперссылок. Гиперссылка — это ключевое слово, с которым связан указатель для перехода к другому документу. Если документы, кроме текста, содержат графическую и звуковую информацию, то система называется гипермедиа и применяется в Интернете. Технология WWW структурирует информационные ресурсы, расположенные на разных серверах, с помощью гиперссылок.

Мультимедийные программы объединяют интерактивным интерфейсом графику, видео, анимацию и звук. Используются в обучающих программах, в рекламе и играх.

Программы профессионального уровня ориентированы на конкретную профессиональную деятельность, реализованы в виде информационных систем.

АИСУ — автоматизированная информационная система управления — состоит из модуля сбора информации, базы данных, модуля обработки и анализа информации и модуля формирования выходной информации. Обеспечивает поддержку планирования, принятия решений, оперативного управления и учета, проводит анализ результатов работы предприятия. Пример — программа “1С: Предприятие” управляет всеми бизнес-процессами предприятия, автоматизирует бухгалтерский и управленческий учет, планирует и анализирует хозяйственную деятельность.

САПР — системы автоматизированного проектирования — моделируют, проводят технические расчеты, создают эскизы и чертежи для автоматизации инженерного проектирования новых механизмов, зданий.

Обучающие системы основаны на электронных учебниках и дистанционных курсах. Электронный учебник объединяет обучающие программы, интерактивный тренинг, тесты и другие виды контроля, основан на мультимедийной технологии. Дистанционное образование реализуется в глобальной сети и позволяет получить образование людям, географически удаленным от образовательных центров.

Геоинформационные системы хранят данные, привязанные к географической карте. Указав на объект географической карты или схемы города, получают некоторую информацию об этом объекте. Пример — ГИС “Черное море”.

Информационно-поисковые системы дают оперативные ответы на запросы пользователей. Примеры — библиотечная справочная система, поисковые серверы Интернета.

Взаимосвязь аппаратного и программного обеспечения компьютера

Операционные системы являются программной прослойкой между аппаратными средствами, с одной стороны, и пользователем и программами — с другой стороны. ОС организует пользовательский и программный интерфейс. ОС избавляет программиста и пользователя от необходимости напрямую работать с аппаратурой, предоставляет им виртуальную машину, которой легко управлять и которую легко программировать. ОС берет на себя рутинные операции по управлению всеми аппаратными устройствами компьютера (физической памятью, таймером, принтерами). Операционная система управляет аппаратурой с помощью драйверов устройств. Это программы, взаимодействующие с контроллерами устройств для выполнения операций в периферийных устройствах. Драйвер разрабатывается для конкретного типа устройства: принтера, дисковода, накопителя на магнитной ленте, монитора. Он преобразует запрос в последовательность команд физических операций, которые нужно выполнить устройству. Драйвер учитывает специфические особенности конкретных устройств. Это позволяет создать обобщенную ОС, которая настраивается на использование конкретных периферийных устройств с помощью установки соответствующих драйверов.

Многообразие операционных систем

Операционные системы можно разделить на группы по следующим признакам (см. табл. 2).

Таблица 2

Рассмотрим эти категории.

Однопользовательская ОС обслуживает одного пользователя.

Многопользовательская ОС работает со многими пользователями, которые подключаются к вычислительной системе с помощью терминалов.

Однозадачная ОС уже ушла в историю, она обрабатывала только одну прикладную программу.

Многозадачная, или мультипрограммная, ОС располагает в оперативной памяти одновременно несколько задач. Центральный процессор их попеременно обрабатывает.

Мультипрограммирование развивается в трех вариантах.

1. Цель системы с пакетной обработкой — максимальная загрузка аппаратуры. Критерием эффективности в системах пакетной обработки является максимальная пропускная способность, т.е. решение максимального количества задач в единицу времени. Системы используются для вычислительных задач, не требующих вмешательства программиста. В начале работы формируется мультипрограммная смесь — пакет заданий, множество одновременно выполняемых задач. Смесь строится из задач, предъявляющих различные требования к ресурсам. Например, в смесь включают вычислительную задачу и задачу с интенсивным вводом-выводом. Выбор нового задания зависит от внутренней ситуации в системе. Следствие — нет гарантии выполнения задачи в течение определенного периода времени. Пакетная обработка повышает эффективность работы аппаратуры, но взаимодействие программиста с программой сведено к нулю.

2. Мультипрограммирование в системах разделения времени. Критерий эффективности — удобство работы пользователя. Пользователям или одному пользователю предоставляется возможность интерактивной работы сразу с несколькими приложениями. ОС попеременно выделяет квант процессорного времени всем приложениям, принудительно периодически приостанавливает приложения. Пользователь ведет диалог со своей программой. Системы разделения времени обладают меньшей пропускной способностью, т.к. на выполнение принимается каждая запущенная задача, а не та, которая выгодна системе в данный момент. Производительность также снижается за счет накладных расходов на переключение процессора с одной задачи на другую.

3. Мультипрограммирование в системах реального времени. Системы предназначены для управления технологическим процессом (станком, спутником). В этих случаях существует предельно допустимое время, время реакции системы, в течение его должна быть выполнена управляющая объектом программа. Критерий эффективности — время реакции системы. В системах реального времени мультипрограммная смесь представляет собой фиксированный набор заранее разработанных программ, выбор программы на выполнение определяется текущим состоянием объекта или в соответствии с расписанием плановых работ. В этих системах не стремятся максимально загружать все устройства, наоборот, проектируется некоторый запас, на случай пиковой нагрузки.

Мультипроцессирование — это организация вычислительного процесса в системах с несколькими процессорами. Задачи могут выполняться на разных процессорах. Несколько процессоров включаются даже в архитектуру персонального компьютера, серверы обязательно многопроцессорные. Следует различать мультипрограммирование и мультипроцессирование. В мультипрограммных системах несколько программ выполняются попеременно на одном процессоре, создавая видимость параллельного выполнения. В мультипроцессорных системах несколько задач выполняются действительно одновременно на различных процессорах. Мультипроцессирование не исключает мультипрограммирования, на каждом процессоре может выполняться некоторый набор задач. Средства мультипроцессирования включены во все современные ОС: Sun Solaris 2.x, Santa Cruz Operations Open Server 3.x, IBM OS/2, MS Windows NT, Novell NetWare 4.1.

Сетевые системы обеспечивают совместное использование ресурсов всеми выполняемыми в сети задачами. Ресурсы выделяются задачам по потребностям, невзирая на местоположение этих ресурсов в сети. Сети — это один из вариантов многопроцессорной системы. Все современные ОС стали сетевыми. ОС могут работать с основными технологиями локальных и глобальных сетей. ОС поддерживают работу с Интернетом, включают утилиты популярных служб — telnet (работа с удаленным компьютером), ftp (передача файлов с удаленного компьютера), DNS (служба доменных имен), web-сервис.

Приведем примеры операционных систем.

Семейство операционных систем Windows занимает ведущее положение в мире персональных компьютеров. Современная операционная система — это Microsoft Windows XP (от английского слова eXPerience — опыт). Существует в трех модификациях:

1. Microsoft Windows XP Home Edition — для домашних персональных компьютеров.

2. Microsoft Windows XP Professional Edition — для офисных ПК.

3. Microsoft Windows XP 64bit Edition — для ПК на базе 64-битного процессора.

В мире ПК менее распространены ОС семейства Apple (Macintosh), пример операционной системы — Mac OS.

Операционные системы семейства UNIX стали стандартом для мини-ЭВМ, Linux — современный вариант OS UNIX, предназначенный для использования на ПК.

Понятие о системном администрировании

Рассмотрим задачи, которые возникают при администрировании автономного компьютера на примере распространенной операционной системы Windows XP.

Основная задача системного администратора — обеспечение безопасной и эффективной работы компьютера. Безопасная система защищает данные от несанкционированного доступа, всегда готова предоставить ресурсы своим пользователям, надежно хранит информацию, гарантирует неизменность данных. Для авторизованного входа в систему применяют учетные записи пользователей.

Учетные записи пользователей. Если в разное время с компьютером работает несколько человек, то возникает необходимость регистрации в системе новой учетной записи для входа в Windows. Windows XP является многопользовательской системой, различные пользователи могут независимо друг от друга настроить интерфейс Рабочего стола, работать с собственными файлами и папками, настраивать для себя выход в Интернет и к электронной почте. Регистрация учетной записи с ограниченными возможностями позволит системному администратору допускать неопытных пользователей, запретив им устанавливать новое программное обеспечение, изменять настройки системы, запускать некоторые программы. В системе можно зарегистрировать пользователей двух стандартных категорий: Администратор компьютера или Ограниченная запись.

Администратор обладает следующими правами:

· установка оборудования и программного обеспечения;

· изменение всех системных настроек;

· доступ ко всем файлам, кроме индивидуальных файлов других пользователей;

· создание, удаление и изменение учетных записей пользователей;

· изменение статуса собственной учетной записи;

· изменение прав доступа других пользователей к ресурсам компьютера.

Пользователь с ограниченной записью может изменить свой пароль для входа в систему и пользоваться правами, которые для него установил администратор.

Управление задачами и процессами. Windows XP является мультипрограммной системой, т.е. в оперативной памяти могут располагаться несколько запущенных задач. Если запущенная программа “зависла”, то не обязательно перезапускать компьютер, можно снять задачу. Это позволит сделать утилита Диспетчер задач. Здесь же можно переключиться на другую задачу, инициировать новую. Каждая запускаемая задача порождает процесс. Утилита позволит также завершить процесс, изменить его приоритет, просмотреть информацию о загрузке процессора, оперативной памяти и других аппаратных ресурсах и т.д.

Для обеспечения надежного хранения данных в системе администратору следует периодически запускать следующие утилиты по работе с дисками:

· проверка диска — проверяет диск на наличие сбойных секторов;

· дефрагментация диска — устраняет фрагментацию файлов и дисков;

· очистка дисков — предложит список неиспользуемых программ и файлов, которые можно удалить для освобождения дисковой памяти;

· архивация данных — осуществляет резервное копирование данных на дисках.

Система Windows XP имеет механизм Восстановление системы, который позволит восстановить систему в случае сбоя и повреждений. Администратор, убедившись, что система работает корректно и стабильно, может создать точку восстановления системы, воспользовавшись утилитой Восстановление системы. Утилита создаст резервную копию системного реестра и необходимых служебных файлов. Если впоследствии вновь установленная программа или драйвер оборудования будут вызывать сбои, можно вернуться к точке восстановления системы. Утилита воссоздаст систему в том виде, какой она была в момент создания точки.

Мы рассмотрели задачи администрирования автономно работающего компьютера. При работе компьютера в сети возникает множество других задач.

Программные и аппаратные средства для решения различных профессиональных задач

Этот пункт уже рассмотрен при классификации прикладного программного обеспечения в категории Программы профессионального уровня.

Литература

1. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учебное пособие для педагогических вузов / Под ред. Е.К. Хеннера. М.: Академия, 2004, 848 с.

2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Сетевые операционные системы. СПб.: Питер, 2001, 554 с.

3. Шалин П. Энциклопедия Windows XP. СПб.: Питер, 2002, 668 с.

2. С помощью электронной таблицы решить задачу табулирования заданной функции. Результат представить в табличной и графической форме.

Задание

; n = 6, x изменяется от 1 до 2 с шагом 0,1.

Решение

Для упрощения расчетов преобразуем формулу. Можно применить следующее рекуррентное соотношение для подсчета очередного члена суммы:

, здесь k = 1, 2, …, n

Приступим к заполнению электронной таблицы. Внесем исходные данные. В столбец А внесем значение переменной х от 1 до 2 с шагом 0,1, используя автозаполнение. В строку 2 внесем значения переменной k, также используя автозаполнение. Получим следующую таблицу

В строку 3 внесем подписи, которые означают очередной член суммы. Далее в столбец В скопируем значения переменной х из столбца А:

Теперь можно в ячейку C4 внести рекуррентное соотношение, которое позволит вычислить a₂:

В этом выражении использовалась абсолютная адресация ячейки $A4 для того, чтобы имя столбца А не изменялось при распространении формулы вдоль строки, аналогично абсолютная адресация ячейки C$2 означает, что при копировании формулы вдоль столбца не будет меняться номер строки 2.

Выражение из ячейки С4 можно распространить на блок ячеек D4:G4. Таким образом, в блоке B4:G4 будут получены все слагаемые суммы для начального значения х = 1, кроме единицы.

Все готово, чтобы вычислить сумму для начального значения х = 1. Посчитаем ее в ячейке К4.
К сумме добавлена единица, т.к. нулевой член ряда, равный единице для любого значения x, не вычисляется в таблице.

Столбцы H, I, J остались пустыми для того, чтобы можно было увеличить значение n до 9. Распространяя блок ячеек C4:K4 на блок C4:K14, получим результат:

В этой таблице можно увеличить диапазон изменения переменной х. Для этого нужно выделить блок A4:K14 и распространить его на большие значения х.

Используя мастер диаграмм, построим график функции. Вызываем мастер диаграмм и выбираем точечную диаграмму:

Далее укажем диапазон исходных данных, его образуют два блока — А4:А14 и К4:К14, и получим график:

Варианты заданий

С помощью электронной таблицы решить задачу табулирования заданной функции. Результат представить в табличной и графической форме.

1. , натуральное число n = 5, действительное число a изменяется от 1 до 2 с шагом 0,1.

2. , действительное число x изменяется от 1 до 2 с шагом 0,1.

3. , натуральное число n = 6, действительное число x изменяется от 1 до 2 с шагом 0,1.

4. , действительное число x изменяется от 2 до 3 с шагом 0,1.

5. , натуральное число n = 6, действительное число x изменяется от 2 до 3 с шагом 0,1.

3. Построить модель заданного физического процесса и реализовать ее на компьютере. Проанализировать полученный результат.

Построим модель естественного радиоактивного распада ядер [1].

Сформулируем физическую задачу. Ядра распадаются, выбрасывая частицы и превращаясь в более легкие. Распад ядра происходит спонтанно и не зависит от внешних условий. Число распадов, регистрируемых в единицу времени, зависит только от количества атомов, ядра которых способны распадаться. Вероятность распада ядра определяется его устройством и может быть описана некоторым числом, характерным для данных ядер.

Можно сформулировать следующие вопросы:

· Как меняется со временем число ядер?

· Через какое время распадается половина ядер?

Построим математическую модель. На небольшом интервале времени t число распавшихся ядер
–N = N(t) – N(t + t) пропорционально t и числу не распавшихся ядер в данный момент N:

,

— здесь — это некоторый коэффициент пропорциональности, определяемый веществом.

Для решения задачи нужно задать количество ядер вещества в начальный момент t = 0: N = N₀.

Выберем в качестве единицы времени t и представим размерное время , здесь — безразмерное время. В качестве характерного числа атомов выберем N₀, т.е. , здесь показывает долю ядер от их числа в начальный момент. Подставляя размерные величины в исходную систему, получим безразмерные уравнения

Все величины, входящие в систему, безразмерные, и знак безразмерной величины можно не употреблять.

Составим алгоритм решения нашей системы.

Так как , получим рекуррентное соотношение для числа не распавшихся ядер в моменты времени :

Проведем численный эксперимент в MS Excel. Заполним заголовок таблицы и столбец А, который обозначает номер k, внесем начальное условие и зададим      t = 0,1.

В ячейку В3 внесем формулу для подсчета времени и распространим ее на блок В4:В12.

В ячейку С3 внесем рекуррентное соотношение для подсчета N и скопируем его в блок С4:С12.

В столбце В получено время, в столбце С — число ядер. Изобразим эту зависимость на графике:

Для ответа на второй вопрос, который был поставлен в начале задачи, нужно определить момент времени T, за которое распадается половина ядер. Время можно определить из уравнения
N(Т) = 0,5.

Проведем эксперимент с различными значениями t, результаты поместим в таблицу:

Значение времени Т стабилизировалось с точностью 0,001, определено время полураспада ядер Т = 0,693. Полученные в результате эксперимента результаты являются универсальными, так как безразмерная система уравнений не содержит характеристик вещества. Индивидуальность ядер проявляется лишь через масштаб времени .

1. Составить модель броуновского движения.

2. Составить модель падения тела с учетом сопротивления среды.

Литература

1. Бирих Р.В., Еремин Е.А., Чернатынский В.И. Компьютерные модели в школьном курсе физики. // Информатика № 14, 2006, с. 1–45.

2. Бирих Р.В., Еремин Е.А., Чернатынский В.И. Компьютерные модели в школьном курсе физики. // Информатика № 15, 2006, с. 3–14.

3. Шестаков А.П. Компьютерное математическое моделирование. Лекция № 2. Моделирование в естественных науках. Несколько классических моделей физики. // Информатика № 36, 2002, с. 7–14.

4. Шестаков А.П. Компьютерное математическое моделирование. Лекция № 3. Моделирование в естественных науках. Несколько классических моделей физики. // Информатика № 38, 2002, с. 8–15.

5. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика: Учебное пособие для педагогических вузов / Под ред. Е.К. Хеннера. М.: Академия, 2004, 848 с.

Продолжение