Основы компьютерной обработки информации

 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Т. П. Пушкарёва 
 
 
ОСНОВЫ   
КОМПЬЮТЕРНОЙ  ОБРАБОТКИ 
ИНФОРМАЦИИ 
 
 
Рекомендовано УМО РАЕ (Международной ассоциацией ученых, 
преподавателей и специалистов) по классическому университетскому 
и техническому образованию в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки: 
22.03.01 «Материаловедение и технологии материалов», 29.03.04 «Технология художественной обработки материалов», 22.04.01 «Материаловедение и технология», рег. № 562 от 18.03.2016 г. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2016 

УДК 004.9(07) 
ББК 32.973я73 
П912 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Пушкарёва, Т.П. 
П912 
 
Основы компьютерной обработки информации : учеб. пособие / Т. П. Пушкарёва. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2016. – 
180 с. 
ISBN 978-5-7638-3492-5 
 
В учебном пособии изложены материалы по темам, связанным с обработкой различных видов информации с помощью персонального компьютера. Раскрыты сущность информации, ее свойства, описаны возможные действия над ней. Указаны базовые принципы построения архитектуры персонального компьютера, рассмотрены его арифметические и логические 
основы. Описаны основные средства, приемы и методы моделирования, алгоритмизации и программирования на языке Turbo-Pascal. Представлены основы работы в объектно-ориентированной среде программирования Lazarus.  
Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям 22.03.01 
«Материаловедение и технологии материалов», 29.03.04 «Технология художественной обработки материалов», 22.04.01 «Материаловедение и технология материалов». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 004.9(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 32.973я73 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-3492-5 
© Сибирский федеральный 
университет, 2016  

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
Глава 1. Архитектура персонального компьютера ..............................  
5 
1.1. Магистрально-модульный принцип построения  
компьютера ....................................................................................  
5 
1.2. Основные устройства персонального компьютера ...................  
8 
1.3. Периферийные устройства персонального компьютера ..........  17 
 
Глава 2. Действия над информацией .......................................................  25 
2.1. Понятие информации ...................................................................  25 
2.2. Операции с данными ....................................................................  28 
2.3. Измерение количества информации ...........................................  29 
 
Глава 3. Арифметические основы персонального компьютера ........  37 
3.1. Системы счисления .......................................................................  37 
3.2. Перевод чисел из одной системы счисления в другую ...................  39 
3.3. Выполнение арифметических операций в позиционных  
системах счисления .......................................................................  41 
 
Глава 4. Представление информации в персональном  
компьютере ...................................................................................  49 
4.1. Представление текстовой информации ......................................  50 
4.2. Представление числовой информации в компьютере ..............  54 
4.3. Кодирование графической информации ....................................  62 
4.4. Кодирование звуковой информации ...........................................  64 
4.5. Представление видеоинформации в компьютере ......................  66 
 
Глава 5. Логические основы компьютера ..............................................  70 
5.1. Логика высказываний ...................................................................  70 
5.2. Методы решения логических задач ............................................  73 
5.3. Логические основы персонального компьютера .......................  81 
Вопросы и задания для самоконтроля ...............................................  87 
 
Глава 6. Основы программирования ......................................................  92 
6.1. Понятие модели в информатике ..................................................  92 
6.2. Подходы к построению простейших математических 
моделей...........................................................................................  99 
6.3. Алгоритмы. Трансляция и компиляция ......................................  100 
6.4. Описание языков программирования .........................................  106 
 
Глава 7. Основы языка Pascal ...................................................................  110 
7.1. Описание языка Pascal ..................................................................  110 
7.2. Операторы языка ...........................................................................  116 

Оглавление 

7.3. Понятие массива ...........................................................................  124 
7.4. Процедуры и функции ..................................................................  134 
7.5. Графика в языке Pascal .................................................................  136 
 
Глава 8. Среда визуального программирования Lazarus ...................  149 
8.1. Пользовательский интерфейс ......................................................  149 
8.2. Объекты Формы и их свойства ....................................................  154 
8.3. События и процедуры обработки событий ................................  156 
8.4. Структура проекта Lazarus ...........................................................  157 
8.5. Консольное приложение среды Lazarus .....................................  162 
8.6. Средства рисования в Lazarus ......................................................  165 
 
Заключение ...................................................................................................  178 
 
Библиографический список ......................................................................  179 
 
 
 

Архитектура персонального компьютера 

5 

Глава 1. АРХИТЕКТУРА ПЕРСОНАЛЬНОГО  
КОМПЬЮТЕРА 
 
 
1.1. Магистрально-модульный принцип  
построения компьютера 
 
Персональный компьютер (ПК) – это программируемое электронное 
устройство, предназначенное для обработки и хранения (накопления) информации. Современные ПК используются для автоматизации отдельных 
рабочих мест, обработки деловой информации, обучения и т. д. Все ПК 
имеют общую принципиальную схему (архитектуру). 
Архитектура ПК – совокупность аппаратных и программных 
средств, с помощью которых обеспечивается выполнение задач пользователя и программирование задач.  
Архитектура определяет принципы действия, информационные связи 
и взаимное соединение основных логических узлов компьютера и включает описание пользовательских возможностей программирования; описание 
системы команд и системы адресации; организацию памяти и т. д. 
В основу архитектуры ПК положен модульно-магистральный принцип (рис. 1.1). Модульный принцип позволяет комплектовать нужную 
конфигурацию, модернизировать ее. Такая организация ПК опирается на 
магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Магистраль 
(системная шина) включает:  
1) шину данных,  
2) шину адреса,  
3) шину команд (управления).  
Упрощенно системную шину можно представить как группу кабелей 
и электрических (токопроводящих) линий на материнской плате. Обмен 
информацией между устройствами производится по этим трем многоразрядным шинам (многопроводные линии связи). Кратко опишем эти шины. 
У процессоров Intel Pentium последнего поколения (а именно они 
наиболее распространены в персональных компьютерах) 64-разрядная адресная шина; это означает, что она состоит из 64 параллельных линий. 
В зависимости от того, есть напряжение на какой-то из линий или нет, на 
них выставляется единица или ноль. Комбинация из 64 нулей и единиц образует 64-разрядный адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной 
памяти. К ней и подключается процессор для копирования данных из 
ячейки в один из своих регистров. 64-разрядная шина позволяет адресовать более четырех гигабайт памяти. 

Глава 1 

6 

 
 
Рис. 1.1. Архитектура ПК 
 
 
По шине данных происходит копирование данных из оперативной 
памяти в регистры процессора и обратно. В компьютерах, собранных на 
базе процессоров Intel Pentium, она состоит из 64 линий, по которым за 
один раз на обработку поступают сразу 8 байтов информации. Разрядность 
шины данных определяется разрядностью процессора (т. е. количеством 
двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт). Шина 
данных двунаправленная от процессора к устройству и наоборот.  
Код адреса формируется процессором и передается по шине адреса. 
Она является однонаправленной (от процессора к устройству). Разрядность 
шины адреса определяет объем адресуемой памяти и может не совпадать 
с разрядностью шины данных.  
По шине управления передаются сигналы, определяющие характер 
обмена информацией (ввод/вывод), и сигналы, синхронизирующие взаимодействие устройств. 
Для того чтобы процессор мог обрабатывать данные, ему нужны команды. Он должен знать, что следует сделать с теми байтами, которые 
хранятся в его регистрах. Эти команды поступают в процессор тоже из 
оперативной памяти, но не из тех областей, где хранятся массивы данных, 
а оттуда, где хранятся программы. Команды тоже представлены в виде 
байтов. Самые простые команды укладываются в один байт, однако есть 
и такие, для которых нужно два, три и более байтов. В большинстве со

Архитектура персонального компьютера 

7 

временных процессоров шина команд 64-разрядная, хотя существуют 128разрядные процессоры. 
Системная шина – это аппаратная реализация стандартов взаимодействия различных узлов. Ее разрядность во многом определяет производительность компьютера, поскольку она связывает между собой процессор, 
оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), слоты (т. е. специальные 
разъемы) расширения. Существуют различные стандарты системной шины, которые сложились по мере развития техники: MCA, VESA, EISA, 
PCI-Express и SCSI. В компьютерах типа Pentium используется, как правило, шина PCI. 
Подключение отдельных модулей ПК к магистрали на физическом 
уровне осуществляется с помощью контроллеров (адаптеров), а на программном – обеспечивается драйверами. Их совокупность называется интерфейсом. 
Принцип открытой архитектуры – это возможность постоянного 
усовершенствования компьютера IBM PC в целом и его отдельных частей 
с использованием новых устройств, которые полностью совместимы друг 
с другом независимо от фирмы-изготовителя. Это дает наибольшую выгоду пользователям, которые могут расширять возможности своих машин, 
покупая новые устройства и вставляя их в свободные разъемы (слоты) на 
системной (материнской) плате.  
В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом. 
Принцип программного управления: программа состоит из набора 
команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом 
в определенной последовательности. Таким образом, процессор исполняет 
программу автоматически, без вмешательства человека. 
Принцип однородности памяти: программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится 
в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно 
выполнять такие же действия, как и над данными. 
Принцип адресности: структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. 
Отсюда следует возможность давать имена областям памяти так, 
чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием 
присвоенных имен. 
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу 
фон-неймановских. 

Глава 1 

8 

У персональных компьютеров выделяют 2 части: аппаратную часть – 
Hardware и программное обеспечение – Software. Иногда говорят еще 
о третьей части – Brainware – интеллекте пользователя, способного эффективно использовать как Hardware, так и Software. 
 
 
1.2. Основные устройства персонального компьютера 
 
К основным устройствам персонального компьютера относятся 
(стандартная конфигурация ПК): системный блок; монитор; клавиатура; 
мышь. 
Поскольку ПК проектируется на основе принципа открытой архитектуры, то регламентируются и стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Следовательно, 
компьютер можно собирать из отдельных узлов и деталей, разработанных 
и изготовленных независимыми фирмами-изготовителями. 
ПК можно легко расширить и модернизировать за счёт наличия 
внутренних расширительных гнёзд, в которые пользователь может вставлять разнообразные устройства, удовлетворяющие заданному стандарту, 
и тем самым устанавливать конфигурацию своей машины в соответствии 
со своими личными предпочтениями. 
Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter – 
между и face – лицо). 
Интерфейс – это средство сопряжения двух устройств, в котором все 
физические и логические параметры согласуются между собой. 
Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым 
на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. 
Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое 
устройство) связан с шиной определённого типа – адресной, управляющей 
или шиной данных. 
Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты 
примерно по схеме, указанной на рис. 1.2. 
 

 
 
Рис. 1.2. Схема подключения периферийных устройств 

Архитектура персонального компьютера 

9 

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных 
цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными устройствами по запросам микропроцессора. 
Рассмотрим основные устройства персонального компьютера. 
Системный блок представляет собой основной узел, внутри которого 
установлены наиболее важные компоненты компьютера.  

Устройства, находящиеся внутри системного блока, называют внут
ренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи, называют внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными. 
По внешнему виду системные блоки различаются формой корпуса 
(горизонтальное и вертикальное исполнение) (рис. 1.3). 
 

 
 
 
Рис. 1.3. Виды системного блока 
 
В системном блоке содержатся следующие основные устройства: 
1) материнская плата, 
2) процессор, 
3) память, 
4) жесткий диск. 
5) блок питания. 
Материнская (или системная) плата – важнейший элемент компьютера. Она служит для соединения всех компонентов системного блока, 
а также устройств, подключаемых к ПК, в единое целое (рис. 1.4). 
Именно к материнской плате подключаются процессор, жесткий 
диск, дисководы, видеокарта, монитор, клавиатура, мышь, принтер, модем 
и прочее. 
Для этого на плате располагаются разъемы (или слоты), одни из которых имеют выход наружу, а другие нет. На задней стенке системного 
блока можно увидеть разъемы, которые выходят из компьютера и предна

Глава 1 

10 

значены для подключения внешних устройств (клавиатура, мышь, принтер, монитор и др.). Разъемы снаружи на материнской плате используются 
для подключения в них основных деталей, которые отвечают за быстродействие компьютера в целом.  
 

 
 
Рис. 1.4. Системная плата компьютера  
класса Pentium 
 
Материнская плата часто содержит в себе множество встроенных 

устройств. В нее могут быть встроены видео- и звуковая карты (устройства 
для визуализации информации и обработки звука соответственно). Нередко в материнскую плату встроены модем и сетевая карта, позволяющие 
подключаться к Интернету и работать в локальной сети. Встроенное оборудование можно отключать, заменяя его более производительными устройствами. Электронные компоненты при работе выделяют много тепла, 
поэтому очень важно их охлаждать. Для этого применяется специальная 
система охлаждения, состоящая из небольших радиаторов или трубок. Помимо этого, устройства, устанавливаемые на материнскую плату, зачастую 
снабжаются собственными системами охлаждения: кулерами, радиаторами 
и др. Главная информационная магистраль (шина) связывает все встроенные устройства воедино. 
Процессор – это основная микросхема ЭВМ, выполняющая логические и арифметические операции и осуществляющая управление всеми 
компонентами ПК. Процессор представляет собой миниатюрную тонкую 
кремниевую пластинку прямоугольной формы, на которой размещается 
огромное количество транзисторов, реализующих все функции, выполняемые процессором. Кремниевая пластинка – очень хрупкая, а так как ее любое повреждение приведет к выходу из строя процессора, она помещается 
в пластиковый или керамический корпус (рис. 1.5). 

Архитектура персонального компьютера 

11 

Конструктивно процессор состоит из 
ячеек, в которых данные могут не только храниться, но и изменяться. Внутренние ячейки 
процессора называют регистрами. Данные, 
попавшие в некоторые регистры, рассматриваются не как данные, а как команды, управляющие обработкой данных в других регистрах. Среди регистров процессора есть и такие, 
которые в зависимости от своего содержания 
способны модифицировать исполнение команд. Таким образом, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных. На этом и основано исполнение программ. 
Сегодняшний процессор – это целая система важных устройств. 
1. Ядро процессора – главное вычислительное устройство, обрабатывающее все поступающие данные. Современный процессор может содержать в себе несколько ядер в одном корпусе, тогда его называют многоядерным. Наличие нескольких ядер позволяет облегчить выполнение нескольких 
параллельных задач одновременно и при должной оптимизации компьютерной программы значительно увеличить скорость работы в ней. Существуют технологии создания нескольких виртуальных ядер из одного физического. Однако надо понимать, что увеличение количества ядер не приводит к пропорциональному росту производительности процессора, а при 
решении некоторых задач возможно даже ухудшение по сравнению с одноядерным вариантом. Все зависит от возможности выполнять данную задачу несколькими параллельными потоками и от того, насколько грамотно 
это реализовано в конкретном программном обеспечении. Многоядерность 
является наиболее перспективным путем повышения производительности 
на сегодняшний день (при наличии соответствующего программного обеспечения, поддерживающего многоядерность). 
2. Арифметико-логическое устройство (АЛУ) реализует важную 
часть процесса обработки данных. Она заключается в выполнении набора 
простых операций. Операции АЛУ подразделяются на три основные категории: арифметические, логические и операции над битами. Арифметической операцией называют процедуру обработки данных, аргументы и результат которой являются числами (сложение, вычитание, умножение, 
деление и т. д.). Логической операцией именуют процедуру, осуществляющую построение сложного высказывания (операции «И», «ИЛИ», 
«НЕ» и т. д.). Операции над битами обычно подразумевают сдвиги.  
3. Устройство управления – часть процессора, выполняющая функции управления устройствами компьютера. 

 
 
Рис. 1.5. Процессор 

Глава 1 

12 

4. Шины данных и шины адресов (на физическом уровне) – многопроводные линии с гнездами для подключения электронных схем. По шине данных передаётся вся информация при записи и считывании. По шине управления передается управляющий сигнал. Процесс взаимодействия процессора 
и памяти сводится к двум операциям – записи и считыванию информации. 
При записи процессор по специальным проводникам (шина адреса) передает 
биты, кодирующие адрес, по другим проводникам – управляющий сигнал «запись», по третьей группе проводников (шины данных) – записываемую информацию. При чтении по шине адреса передается соответствующий адрес 
оперативной памяти (ОП), а с шины данных считывается нужная информация. 
5. Регистры – ячейки памяти, которые служат для кратковременного 
хранения и преобразования данных и команд. На физическом уровне регистр – совокупность триггеров, способных хранить один двоичный разряд 
и связанных между собой общей системой управления. 
6. Счетчик команд – регистр управляющего устройства компьютера, 
содержимое которого соответствует адресу очередной выполняемой команды. Счетчик команд служит для автоматической выборки программы 
из последовательных ячеек памяти. 
7. Сопроцессор – специальный блок для операций с «плавающей 
точкой». Применяется для особо точных и сложных вычислений, а также 
для работы с рядом графических программ. 
8. Кэш-память (буферная память) – сверхбыстрая память, предназначенная для хранения промежуточных результатов. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора 
создают буферную область – кэш-память. Пока процессор выполняет какие-то действия, она считывает заранее заказанную информацию из оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), а затем быстро передает ее 
процессору. С введением кэш-памяти сократились вынужденные простои 
процессора и увеличилось его быстродействие.  
Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем, например, с оперативной памятью.  
К основным параметрам процессора относятся: 
 разрядность процессора. Это число битов данных, которое он может принять и обработать в своих регистрах за один раз (за один такт). Современные процессоры семейства Intel Pentium работают с 64-разрядной 
шиной данных (разрядность процессора определяется не разрядностью 
шины данных, а разрядностью командной шины); 
 рабочая тактовая чистота. Это величина, показывающая, сколько 
инструкций способен выполнить процессор в течение 1 с. Тактовая частота 
обозначается цифрой в названии процессора (например, Pentium 4 3600 – 
это процессор Pentium 4 с тактовой частотой 3 600 МГц);