Informatika alapjai

• rendszer, adat, információ
• a számítógépek felépítése és mûködése
• az algoritmus fogalma és megadási módjai
• fontosabb algoritmusok
• operációs rendszer alapfogalmak
• szoftverhasználat (külön fájlban)

rendszer

A rendszer egymással kapcsolatban álló elemek összessége, amelyek adott cél érdekében együttmûködnek egymással, és mûködésük során erõforrásokat használnak fel.

adat

Az adat alapvetõ kapacitív erõforrás, amelynek mennyisége felhasználásával nem csökken (nem definiáljuk). Az adat rendszerint valamilyen formában tárolt ismeretet jelent.

információ

Az információ olyan adat, amelyet egy rendszer a mûködése során felhasznál.

tudás

A tudás összegyûjtött, rendszerezett ismeretek, adatok összessége, amelyek segítségével meghatározott feladatokat, problémákat oldhatunk meg. A tudás segítségével rendszerint megkísérelünk elõrelátni, kikövetkeztetni bizonyos dolgokat. A tudás a tárolt adatok

• gyûjtési,
• rendszerezési, és
• feldolgozási algoritmusát

jel

Az információ jelek segítségével adható meg, azaz a jelek az információ hordozói. A jeleket rendszerint kódoljuk: ilyenkor az egyes jeleknek kódokat feleltetünk meg. A lehetséges kódok halmazát kódábécének nevezzük.

Példák: beszédhangok, zenei hangok, latin ábécé, morzejelek

A gyakorlatban az információ megadása és átvitele fizikai jelekkel történik. A fizikai jelek fizikai mennyiségek különbözõ értékei segítségével adják meg a kódábécé elemeit.

Az információátvitel alapmodellje (Shannon és Weaver kommunikációs modellje szerint):

• adó (az információ megadása és kódolása fizikai jelekkel)
• információforrás
• információ kódoló
• átviteli csatorna (itt történik meg a fizikai jel átvitele)
• zajforrás
• vevõ (információ dekódolása a fizikai jelekbõl)
• kognitív szûrõ és információ dekódoló
• információnyelõ
• információ feldolgozása
• információ felhasználása
• információ tárolása

• analóg jelek és
• digitális jelek.

• két szélsõ érték között a fizikai jel nagysága tetszõleges lehet
• a jel nagysága idõben folytonosan változik (vagy változhat)

A digitális jelek térben és idõben diszkrétek, tehát egy adatsorral (sorozattal) írhatóak le, amelyek szemléletesen pl. egy táblázatban adhatóak meg (amelynek elsõ sora az idõértékeket, második ill. további sorai pedig az egyes idõértékekhez tartozó adatokat tartalmazzák).

• a fizikai jel nagysága csak néhány meghatározott érték lehet (pl. bináris jel esetén két lehetséges érték van)
• az egyes fizikai jelek idõtartama egy meghatározott (rendszerint rövid) érték, amelyhez egy meghatározott jelnagyság tartozik

a számítógép legfontosabb jellemzõi

• meghatározott feladatok nagy sebességû elvégzésére szolgáló
• széles körben alkalmazható, univerzális (bármilyen adatfeldolgozó algoritmus elvégzésére képes)
• automatikus mûködésû (emberi beavatkozás nélkül mûködõ)
• programozható (képes egy vagy több utasítássorozat vagy program utasításait önállóan végrehajtani)
• kívülrõl vezérelhetõ (a mûködése kívülrõl megváltoztatható, ill. megszakítható)
• mûködtetõ vagy operációs rendszerrel rendelkezõ
• gép, azaz mûszakilag megvalósított rendszer
• meghatározott feladatokat ellátó hardver egységei vannak

• felhasználói környezet
• input adatok (a konkrét, megoldandó feladatot megadó bemenõ adatok)
• információk a számítógép számára
• output adatok (a számítógép által szolgáltatott eredmények)
• információk a felhasználó(k) számára
• számítógép ("fekete doboz")
• algoritmus (egy feladattípus megfogalmazása a számítógép számára)
• törzsadatok (az adott feladattípust specifikáló alapadatok vagy paraméterek)
• részeredmények (olyan adatok, amelyek az algoritmus végrehajtása során képzõdnek)

A számítógép memóriájában tárolt utasítássorozat, amelyet a gép lépésenként végrehajt, ezáltal a megadott bemenõ adatokból és a rendelkezésre álló törzsadatokból a program által megvalósított algoritmus lépéseit követve automatikusan elõállítja a kitûzött feladat megoldását képezõ adatokat.

szoftver

A szoftver több, meghatározott cél érdekében együttmûködõ programot vagy programrendszert jelent.

Neumann architektúra

A Neumann architektúra (felépítés) olyan számítógépeket jelent, amely meghatározott elvek, az un. Neumann-elvek alapján mûködnek.

Neumann-elvek

• soros utasításvégrehajtás (utasítások végrehajtása idõben egymás után; ennek ellentéte a párhuzamos utasításvégrehajtás, amikor több utasítás egyidejûleg is végrehajtható)
• kettes (bináris) számrendszer használata
• belsõ memória (operatív tár) használata a program és az adatok tárolására
• a számítógép meghatározott funkciókat (feladatokat) végrehajtó hardver egységekkel rendelkezik
• teljesen elektronikus mûködés (a számítógép központi egységében nincsenek mozgó alkatrészek, ellentétben a régi mechanikus vagy elektromechanikus számológépekkel)
• széles körû felhasználhatóság, alkalmasság bármilyen adatfeldolgozási feladatra
• a számítógép univerzális Turing-gépként mûködik

• központi egység (Central Unit)
• központi feldolgozó egység (Central Processing Unit; processzor vagy mikroprocesszor)
• központi vezérlõ egység (Control Unit)
• aritmetikai-logikai egység (Arithmetical-Logical Unit)
• regiszterblokk
• gyorsítómemória (cache)
• matematikai társprocesszor (Floating Point Unit)
• operatív tár (memória)
• háttértárak (pl. merevlemez, CD vagy DVD, floppy, stb.)
• perifériák
• input perifériák (pl. billentyûzet, egér, szkenner, stb.)
• output perifériák (pl. képernyõ, nyomtató, hangszóró, stb.)

alaplap

• mikroprocesszor (pl. Intel Pentium 4)
• memória (pl. 512 MBájt)
• DMA vezérlõ
• BIOS (pl. 4 mbit elektronikusan törölhetõ EEPROM)
• CMOS RAM és elem
• órajel-generátor
• ATX csatlakozó (a számítógép ház hálózati tápegységéhez)
• alaplapi chipkészlet (pl. Intel 845PE vagy SiS 645)
• az alaplapon levõ hardver elemek mûködésének összehangolása, és a köztük zajló adatforgalom vezérlése
• IDE csatlakozások (ATA vagy UDMA vezérlõ)
• HDD (Hard Disc Drive) meghajtók csatlakoztatása
• CD meghajtók csatlakoztatása (CD-ROM, CD-RW, DVD, stb.)
• FDD (Floppy Disc Drive) csatlakozás
• buszrendszer és bõvítõhelyek (slot-ok)
• AGP bõvítõhely (Accelerated Graphics Port; monitorkártya csatlakoztatására)
• PCI bõvítõhelyek (pl. hangkártya csatlakoztatására)
• integrált periféria vezérlõkártyák (pl. integrált monitor- vagy hangkártya)
• külsõ periféria vezérlõkártyák (pl. monitorkártya, hangkártya)
• külsõ csatlakozó felületek
• soros port(ok) (pl. külsõ modem csatlakoztatására)
• párhuzamos port(ok) (pl. nyomtató csatlakoztatására)
• USB port(ok) (pl. egér csatlakoztatására)
• PS/2 portok (pl. billentyûzet és egér csatlakoztatására)
• MIDI vagy játékport (game port)

A DMA célja a processzor tehermentesítése, ha nagy mennyiségû adatot kell átvinni a memória és valamelyik periféria vagy periféria-vezérlõ (pl. hangkártya) között.

BIOS (Basic Input-Output System)

• diagnosztikai program
• alapvetõ hardver elemek felismerése és tesztelése (pl. merevlemez, memória)
• konfigurációs program (setup) (pl. dátum és idõ beállítása, merevlemez típusának megadása, bootoló eszköz kiválasztása, stb.)
• alapvetõ hardver elemek vezérlõ vagy meghajtóprogramjai ("driver"-ek)
• operációs rendszer betöltõprogram (boot program)

A CMOS RAM célja az alapvetõ konfigurációs adatok tárolása. A CMOS RAM áramforrása egy külön elem, hogy a számítógép kikapcsolásakor is megõrizze az adatokat.

alaplapi chipkészlet (pl. Intel HUB Architektúra)

• memóriavezérlõ HUB (MCH) vagy "északi híd" (northbridge)
• mikroprocesszor
• memóriavezérlõ
• FSB (Front Side Bus); a processzort és a memóriát az MCH-n keresztül összekötõ adatbusz
• külsõ AGP vezérlõ
• az északi- és déli hidat összekötõ közvetlen ("belsõ") adatbusz
• I/O vezérlõ HUB (ICH) vagy "déli híd" (southbridge)
• PCI busz és bõvítõhelyek (slot-ok)
• IDE csatornák (pl. UDMA/133)
• USB portok
• SIO (Super I/O) eszközök (pl. floppymeghajtó, egér, billentyûzet, soros és párhuzamos portok)
• egyéb rendszerelemek
• AMR (Audio Modem Riser) port (pl. hangkártya és modem csatlakoztatására)
• CNR (Communication and Network Riser) port (pl. ETHERNET hálózati csatlakozásra)
• firmware HUB (FWH)
• alaplapi BIOS
• beépített véletlenszám-generátor (pl. titkosításhoz)

• monitorkártya
• grafikus gyorsítókártya (pl. 3D grafikához)
• hangkártya
• videokártya
• modemkártya
• TV tunerkártya

algoritmus

Az algoritmus több azonos jellegû, egymástól csak a kiinduló adatokban különbözõ (pl. matematikai) feladat megoldására szolgáló eljárás, amelynek során elõre meghatározott, véges számú lépést adott sorrendben végrehajtva jutunk el a feladat megoldásához.

1. példa algorimusra: információ-visszakeresés adatbázisból

• input adatok: tárgyszavak
• algoritmus: a megadott tárgyszavaknak megfelelõ (azokat tartalmazó) rekordok visszakeresése pl. az adatbázisban tárolt rekordok egyenkénti (soros vagy lineáris) végignézésével
• törzsadatok: adatbázis rekordjai
• output adatok: a megadott tárgyszavaknak megfelelõ rekordok

• input adatok: a független változók értékei
• algoritmus: a függvény kiszámítási képlete (vagy más módon megadott algoritmusa), amely rendszerint elemi matematikai mûveletek (a kapott részeredményektõl függõ) végrehajtására vezeti vissza a függvényérték kiszámítását
• az elemi matematikai mûveletek szintén algoritmusok, de jóval egyszerûbbek, mint a függvény kiszámítására szolgáló algoritmus
• törzsadatok: matematikai állandók, pl. e vagy pi
• output adatok: a függvény értéke

• végesség
• az algoritmus véges számú lépésbõl áll
• nincs az algorimusban "végtelen ciklus"
• egyértelmûség
• minden lépés után egyértelmûen meghatározható a következõ lépés
• teljesség
• minden lépésre van rákövetkezõ, kivéve az utolsó, befejezõ lépést
• a "kivételek" kezelve vannak (pl. a nullával való osztás)
• determinisztikusság vagy meghatározottság
• adott bemenõ adatok mindig ugyanazokat a kimenõ adatokat fogják szolgáltatni
• az un. "rejtett paraméterek" ki vannak küszöbölve

• természetes nyelven
• függvénnyel
• felsorolással, táblázattal (!)
• ábrázolva, grafikusan
• képlettel (visszavezetve elemi mûveletekre)
• pszeudokóddal (a természetes nyelv formalizálásával)
• grafikusan (pl. folyamatábrával)
• automatákkal vagy Turing-gép segítségével
• programozási nyelv segítségével (pl. a Pascal eredetileg erre készült)

• elsõ n szám kiíratása
• elsõ n páros / páratlan / k-val osztható szám kiíratása
• számok kiíratása p-tõl q-ig növekvõ / csökkenõ sorrendben
• számsorozatok elsõ n elemének kiíratása
• számtani sorozat a₀ kezdõértékkel és k növekménnyel
• mértani sorozat a₀ kezdõértékkel és q növekménnyel
• változó növekményû sorozat (1,2,4,7,11,16,...)
• alternáló sorozat (1,-2,3,-4,...)
• ...
• számok faktoriálisának kiíratása (1!, 2!, 3!, ...)
• elsõ n szám összegének kiíratása
• ...

Megjegyzés: a Turing-gépnek több "változata" is létezik a szakirodalomban (pl. balról is végtelen szalag, un. "igen" és "nem" típusú elfogadó, ill. elutasító megállási állapotok a halt vagy stop állapot mellett, stb.), a különbözõképpen definiált Turing-gépek azonban ekvivalensek egymással.

A Turing-gép egy végletekig leegyszerûsített számítógép elméleti modelljének tekinthetõ, amellyel egyszerûsége ellenére minden adatfeldolgozási algoritmus leírható. Ezt fejezi ki az un. Church-tézis.

Church-tézis (1936)

Minden intuitív értelemben kiszámíthatónak tekinthetõ (azaz algoritmizálható) függvényt ki lehet számítani a Turing-géppel.

A Turing-gép részei:

• egy jobbra végtelen hosszúságú szalag, a Turing-gép memóriája, amely cellákból (vagy rekeszekbõl) áll
• minden cella egy karaktert tartalmaz a Turing-gép ábécéjébõl
• a bal szélsõ cella a start karaktert vagy szimbólumot (>) tartalmazza
• ez az elsõ karakter, amit az író-olvasó fej be fog olvasni
• a start karaktert beolvasása után az író-olvasó fej mindig visszaírja (azaz nem cseréli ki más karakterre)
• a start karakter beolvasása után az író-olvasó fej mindig jobbra fog lépni (azaz nem "lép le" balról a szalagról)
• bináris ábécéjû Turing-gép esetén a további cellákban a bináris számjegyek (0 vagy 1) szerepelhetnek (ill. az ezeket elválasztó üres karakter, ld. alább)
• a nem használt cellák az üres karakterrel (_) vannak feltöltve
• a szalag tartalmazza
• a gép indulásakor a Turing-gép inputját
• a gép mûködése közben a képzõdött részeredményeket
• a gép leállása után a Turing-gép outputját
• a szalagon levõ adatok a Turing-gép mûködését is vezérlik (azaz a Turing-gépben az adatok és a gépet mûködtetõ program nem választható élesen szét)
• egy író-olvasó fej, amely minden lépésben elmozdulhat egy cellával jobbra vagy balra (de helyben is maradhat)
• egy állapotregiszter (R), amely a Turing-gép aktuális állapotát tárolja
• a Turing-gép lehetséges állapotainak halmazát a Turing-gép alapprogramja tartalmazza
• az állapotok egyfajta "címke" funkciót látnak el, azaz az utasítások egy csoportját adják meg
• minden utasítás megadja, mi lesz a Turing-gép következõ állapota
• egy (központi) vezérlõ egység (KVE), amely
• tárolja a Turing-gép alapprogramját
• vezérli a Turing-gép utasításciklusát

Például egy bináris Turing-gép esetén, amely a szalagon levõ bináris karaktersorozat komplementálását végzi el (0 helyett 1, 1 helyett 0 beírását a szalagra)

• a Turing-gép lehetséges állapotai {s,p} ahol
• s az un. kezdõállapot
• p a "mûködési" állapot (most több állapotra nincs szükség)
• a Turing-gép ábécéje {>,0,1,_} ahol
• > a start szimbólum
• _ az üres karakter
• 0 és 1 pedig bináris számjegyek

(a nem kitöltött cellákba bármilyen utasítás írható, mivel ilyen állapotba a Turing-gép nem kerülhet)

a Turing-gép utasításai három részbõl állnak, amelyek az utasítás végrehajtása után meghatározzák

• a Turing-gép új állapotát; ez lehet
• a lehetséges állapotok közül valamelyik
• a h megállási állapot (halt vagy stop állapot), amely a Turing-gép leállását eredményezi
• a szalag aktuális cellájába beírándó új karaktert
• az író-olvasó fej mozgatását; ez lehet
• léptetés egy cellával balra
• léptetés egy cellával jobbra
• helyben maradás; ilyenkor a gép nem lépteti a fejet

1. egy karakter beolvasása a szalag aktuális cellájából (ez megfelel egy utasítás beolvasásának)
2. a Turing-gép aktuális állapotának beolvasása az állapotregiszterbõl
3. a Turing-gép aktuális állapotának és a beolvasott karakternek megfelelõ utasítás megkeresése a Turing-gép alapprogramjában
4. az utasítás értelmezése, azaz részeire bontása (három részre, ld. fent)
5. az értelmezett utasítás végrehajtása
• az állapotregiszter tartalmának beállítása
• egy karakter kiírása a szalag aktuális cellájába
• az író-olvasó fej léptetése
6. az állapotregiszter tartalmától függõen a Turing-gép mûködésének leállítása (ez megfelel a megszakításkérések vizsgálatának)
7. az utasításciklus újrakezdése

A fenti alapprogramhoz tartozó Turing-gép esetén

• a Turing-gép lehetséges állapotai {s,p} ahol
• s a kezdõállapot
• q0, q1, ..., q5 a gép mûködési állapotai
• q0: a gép megkeresi a bináris szám végét
• q1: hozzáad 1-et a legkisebb helyiértékû bithez
• q2: hozzáad 1-et a következõ bitekhez
• q3: beszúr 1-et a legmagasabb helyiértékû bit elé
• q4: eltolja jobbra a 0 értékû biteket
• q5: eltolja jobbra az 1 értékû biteket
• a Turing-gép ábécéje {>,0,1,_} ahol
• > a start szimbólum
• _ az üres karakter
• 0 és 1 pedig bináris számjegyek

• rendezési algoritmusok
• összeválogatás
• keresési és kiválasztási algoritmusok

A számítógépen mûködõ szoftver réteges szerkezetû. A legfontosabb szoftver rétegek:

• (hardver)
• BIOS ("firmware"; kapcsolat a hardver és a szoftver között)
• operációs rendszer
• felügyelõprogram (supervisor vagy kernel)
• megszakítási rutinok
• eszközkezelõk (driver-ek)
• kódoló segédprogramok (codec-ek)
• parancsértelmezõ (shell)
• grafikus felhasználói felület (GUI: Graphical User Interface)
• segédprogramok (utility-k vagy "kellékek")
• fájlkezelõ segédprogramok (pl. Total Commander, Far Manager)
• multimédia segédprogramok (pl. CD lejátszó, Médialejátszó, IrfanView, stb.)
• szövegszerkesztõ (pl. Jegyzettömb, WordPad)
• rajzolóprogram (pl. Paint)
• alkalmazói programok, alkalmazások
• irodai alkalmazások (pl. MS Office)
• szöveg- vagy kiadványszerkesztõ (pl. Word)
• táblázatkezelõ (pl. Excel)
• prezentációkészítõ (pl. PowerPoint
• adatbázis-kezelõ (pl. Access)
• Internetes alkalmazások
• böngészõprogramok (pl. Netscape Navigator vagy Internet Explorer)
• HTML szerkesztõk (pl. Netscape Composer)
• FTP kliensprogramok (pl. Total Commander)
• letöltésvezérlõk (pl. Reget vagy GetRight)
• ...

• a hardver egységek mûködésének összehangolása (pl. gazdálkodás a hardver erõforrásokkal, erõforrások kiosztása, stb.)
• programok indítása és végrehajtása
• programok végrehajtásának ütemezése
• kötegelt programvégrehajtás (batch; több program egymás utáni futtatása elõtérben, ill. háttérben)
• idõosztás (több program "egyidejû" végrehajtása a processzor idejének felosztásával a programok között)
• programmegszakítások kezelése; a legfontosabb megszakítási okok:
• hardver hibák
• programok megszakításkérései (pl. kiírás a képernyõre, lemezre, stb.)
• szoftverhibák (pl. osztás 0-val, túlcsordulás)
• a program futására rendelkezésére álló "idõszelet" vége
• kapcsolattartás a felhasználóval
• szöveges felületen (párbeszédes vagy interaktív használat parancsok kiadásával)
• grafikus felületen (pl. feltáruló ablakok, gombok, menük segítségével)
• meghatározott alapfeladatok elvégzése (erre szöveges felületen az operációs rendszer parancsnyelve szolgál, grafikus felületen pedig az elérhetõ funkciók összessége)
• adat- és programtárolás szervezése (pl. fájlrendszer kialakítása: könyvtárak, fájlnevek és kiterjesztések, attribútumok, stb.)
• hibakezelés, naplózás
• adatátvitel megvalósítása a számítógép funkcionális egységei között (pl. fájlok másolása, megjelenítése, nyomtatása)
• a hardver egységek és az operációs rendszer mûködésének beállítása
• felhasználói jogosultságok kezelése, adatok védelmének biztosítása (pl. belépési nevek és jelszavak, felhasználói területek, stb.)
• adatok biztonságának garantálása (pl. adatmentés, tükrözés, korábbi állapot visszaállítása, stb.)

Érdemes megjegyezni, hogy a vírusok tömeges elterjedése elsõsorban az egyfelhasználós DOS és Windows rendszerek gyenge (semmilyen?) adatvédelmi képességei miatt vált lehetségessé.