3. Fejezet - számítógépek
Magyar változat: Márkus Béla, Budapesti Műszaki Egyetem
A. bevezetés
b. adatok
Bináris forma
Bitek és bájtok
ASCII kódok
c. hardver
Központi egység (CPU)
Tárak
Perifériák
d. Adattárolás
Tártípusok
Merevlemezes tárak
Cserélhető eszközök
Kötetek
Állományok
e. szoftver
Programok
Operációs rendszer
Programnyelvek
Alkalmazói programok
f. szövegszerkesztők és szövegfeldolgozók
g. adatbáziskezelők
Az adatbáziskezelők funkciói
Az adatbázisok három típusa
h. táblázatkezelők
i. statisztikai csomagok
irodalom
Ellenőrző kérdések
megjegyzések
Ez a fejezet rövid áttekintést ad számítógépes hardver és
szoftver ismeretekből. A fejezet azon oktatók számára készült, akik számítógépes
alapismeretekkel nem rendelkező diákokat oktatnak (bár valószínű, hogy egyéb
előkészítő tanfolyamokon már hallottak ezekről a dolgokról). Bemutatjuk a bináris
jelölést is. Ezzel majd csak a 35-37. Fejezetekhez érve találkoznak a diákok, de
hasznos, ha mint alapozó anyagot már itt megismerik.
3. Fejezet - számítógépek
Magyar változat: Márkus Béla, Budapesti Műszaki Egyetem
A. bevezetés
- A számítógépi környezet, amelyben a GIS működik, az
alábbi elemekből áll:
- hardver - a berendezések, beleértve
- a számítógépet,
- amely teljesítményét tekintve széles skálát foghat át, az
önálló (stand-alone) mikroszámítógéptől a nagyteljesítményű, sokfelhasználós
központi számítógépig,
- a perifériákat, az adatbevitel (input) és a megjelenítés
(output) eszközeit;
- szoftver
- alatt a programokat értjük, amelyek megmondják a
számítógépnek, hogy mit tegyen;
- adatok,
- amelyeket a programok az információk előállítására
használnak.
- Ez a fejezet rövid áttekintést ad számítógépes hardver és
szoftver alapismeretekből, abból a célból, hogy a diákok alapjaiban megértsék,
hogyan működik a számítógép, és megismerjék az általánosan használt
kifejezéseket.
- A fontosabb ismeretekkel a későbbi fejezetek részletesen
foglakoznak.
b. adatok
- A digitális adatok átalakítása, tárolása és feldolgozása
kétállapotú formában történik:
- szavakkal megfogalmazva a kétféle állapot lehet igen/nem, be/ki,
zárva/nyitva, üres/tele stb.,
- egyszerű elektronikus kifejezésekkel a két állapot a
számítógép számára "kapcsoló nyitva/kapcsoló zárva" állapotra
fordítható, más szóval elektromosság folyik az áramkörben vagy sem,
- jegyezzük meg, hogy a két állapot közül valamelyik létezik.
- Ha egy kapcsoló két állapotot biztosít, hány állapot
állítható elő két kapcsolóval?
- négy - a nyitott és zárt kapcsolók négy állapota létezik
Bináris forma
- Számítástechnikai terminológiával élve, a kétállapotú
formát bináris kódolásban a 0 és az 1 használatával érjük el,
- így, a két kapcsoló négy kódot hoz létre - 00, 01, 10, 11
- a három kapcsoló nyolc kódot generál - 000, 001, 010, 011, 100,
101, 110, 111,
- matematikai formában:
- 1 bináris jegy (digit) biztosít 21 = 2 lehetőséget,
- 2 bináris jegy biztosít 22 = 4 lehetőséget,
- 3 bináris jegy biztosít 23 = 8 lehetőséget,
- 8 bináris jegy biztosít 28 = 256 lehetőséget.
Bitek és bájtok
- Egy bináris jegy a bit (binary digit)
- a számítógépes áramkörök bonyolultságát a párhuzamosan
küldhető bitek számával jellemzik,
- ezt az alaplapon párhuzamosan futó összeköttetések száma
határozza meg;
- a jelenlegi személyi számítógépek (PC) 8, 16 és 32 bit
összeköttetésekkel bírnak.
- Egy 8 bites csoportot bájtnak hívunk,
- a bájt (byte) a számítógépes adatmennyiség általánosan
használt mértékegysége.
ASCII kódok
- Maximális hatékonyságra törekedve, az adatokat a legtöbb
számítógép saját belső formában tárolja,
- minamellett az adatátvitel megköveteli olyan szabványos kódok
használatát, amelyet bármelyik rendszer képes megérteni.
- A legelterjedtebb ilyen szabvány az ASCII (American Standard
Code for Information Interchange):
- az ASCII kódrendszert a Teletype lyukkártya lyukasztókra
fejlesztették ki,
- az ASCII számokhoz (0 - 127-ig) karaktereket (128 db) rendel hozzá,
ezek az angol abc kis- és nagybetűi, a számjegyek 0-9-ig és egyéb írásjelek,
speciális karakterek,
- a 128 különböző bináris számot 7 bit (üres/tele) kombinációi
alkotják,
- ezért bármilyen ASCII karaktert elő lehet állítani 7 bittel;
- a gyakorlatban 8 bitet (1 bájtot) használnak, egy bit arra
szolgál, hogy a karakterkészletet újabb 128 karakterrel kiegészítse vagy redundáns
adatként biztosítsa az ellenőrzés lehetőségét.
- Esetenként szükség van a bináris kódok decimálissá (tízes
rendszerbe való) alakítására:
- jobbról-balra számlálva a 8 bitet számozzuk 0-7-ig, az alábbiak
szerint:
Bit: 7 6 5 4 3 2 1 0
128 64 32 16 8 4 2 egység
- pl. a 01010101 jelkombináció
0x128, 1x64, 0x32, 1x16, 0x8, 1x4, 0x2 és 1 egység,
azaz 64+16+4+1 = 85,
- az ASCII kódrendszerben 85 a nagy U betűnek felel meg,
- eképpen, ha az U betűt akarjuk tárolni, akkor a rendszer ezt a
01010101 jelkombinációnak tekinti.
- Az ASCII-ban, a karakterek 0 - 32-ig gyakran speciális funkcióval
bírnak:
- pl. 7, azaz 00000111, a BEL karakter, amely megszólaltat egy
csengőt, a jelet fogadó terminálban vagy berendezésben, vagy
- pl. 12, azaz 00001100, az FF karakter, amely a fogadó nyomtatón új
lapot kezd (form feed = new page).
- Azok a számítógépes állományok (file) amelyek ASCII kódban
vannak, könnyen átalakíthatók és feldolgozhatók más számítógépeken ill. más
programokkal
- ezeket az állományokat gyakran hívjuk "ASCII" vagy
"text" állományoknak,
- az ASCII karakterek szabványként vagy annak alapjaként szolgálnak
a központi egység perifériákkal való kommunikációjához, illetve a különböző
rendszerek közötti adatátvitelhez.
- A nem ASCII állományok legtöbbször "binárisak" és
általában csak speciális program segítségével értelmezhetők és dolgozhatók fel.
c. hardver
- A számítógépek különféle hardverelemekből állnak.
Központi egység
- A központi feldolgozó egység (central processing unit, CPU) a
leglényegesebb eleme a számítógépnek, mert ez az egység irányítja valamennyi más
hardver egységet, ez hajtja végre a programutasításokat.
- A nagyteljesítményű számítógépek több processzorral
(feldolgozó egységgel) is rendelkezhetnek különböző műveletek kezelésére, de
ekkor is szükség van egy központi egységre, amelyik irányítja a művelet- és
információáramlást a másodlagos processzorok között.
- Az IBM személyi számítógépek (personal computer, PC) központi
egységei az Intel processzorain ("chipjein") alapulnak.
- Az első "XT" modellek 8088 (8 bit) processzort
használtak,
- az "AT" modellek 80286 (8/16 bit) processzort,
- a jelenlegi legjobb IBM személyi számítógépek 80386 (16 bit) és
80486 processzorokat.
- A Macintosh központi egységei a Motorola 68000-as chip sorozatán
alapulnak.
Tárak
- A tárak (memóriák) tárolják a központi egység számára
szükséges adatokat és programokat, valamint az általa kiszámított eredményeket.
- A tárolt adatmennyiség mérőszámai: a bit, bájt, Kbájt (K, Kb,
103 bájt), Megabájt (Mb, 106 bájt), Gigabájt (Gb, 109), Terabájt (Tb, 1012).
- A táraknak két fő típusa van:
- a központi tár (hívják belső vagy elsődleges
memóriának is) nélkülözhetetlen a számítógép működéséhez, minden adat és
műveleti parancs a központi memóriában kell legyen mielőtt a központi egység
elvégezné a feldolgozást,
- a legköltségesebb valamennyi tár között,
- gyakran integrálják mikrochipek formájában a központi egységgel
,
- a leggyorsabb elérést nyújtja - bármelyik (bájt méretű)
memóriaterület azonos sebességgel érhető el (random access memory, RAM),
- ideiglenes tár - a központi memóriában tárolt adatok és
programutasítások csak addig élnek, amíg a gép be van kapcsolva (áram alatt van),
kikapcsolás után minden adat törlődik,
- a mérete személyi számítógépeknél néhány száz Kb és
néhány Mb között változik;
- a háttértár (vagy másnéven külső, kisegítő,
másodlagos tár) nagyméretű állományok hosszabb idejű tárolására szolgál.
- A GIS programok és adatok általában nagykapacitású
háttértárakat igényelnek.
- Az adattárolásra a későbbiekben részletesen kitérünk.
Perifériák
- A perifériák a számítógéphez illesztett eszközök, az
input (bemeneti) és output (kimeneti) műveletek elvégzésére szolgálnak.
- Input eszközök: a billentyűzet, az egér (mouse vagy trackball), a
digitalizáló (vonalkövető vagy pásztázó un. szkenner) és a lemezmeghajtó.
- Output eszközök: a képernyő, a nyomtató és a rajzgép.
- A GIS számára legfontosabb eszközökkel a későbbi fejezetek
részletesen foglalkoznak.
d. Adattárolás
Tártípusok
- Az adatok tárolására a számítógépekben különböző
médiákat használnak .
- A tárak különböznek
- a tárkapacitásban,
- az elérési időben,
- a megőrzési időben,
- az elérés módjában,
- és a költségben.
Merevlemezes tárak
- A központi memória után a legköltségesebb a merevlemezes tár.
- Kapacitása személyi számítógépeken néhány 10 Mb és néhány
100 Mb között változik, nagygépeken nem ritka a több száz Gb méretű "diszk
farm" sem.
- Véletlen elérésű, de lassabb, mint a központi tár.
- Állandó tár (vagyis az állományok nem tűnnek el a gép
kikapcsolása után), bár az állományok törölhetők és módosíthatók.
Cserélhető eszközök
- A cserélhető tárak - melyeket elkülönített tárolás vagy
szállítás céljából kivehetünk a számítógépből - a következők:
- hajlékony (floppy) lemezek:
- véletlen elérésűek, méretük jelenleg maximálisan 1.44 Mb,
- mágnes szalagok:
- a tárolókapacitás néhányszor 10 Mb,
- az adatelérés soros (szekvenciális), nem véletlen,
- attól függően, hogy az adat hol helyezkedik el a szalagon, az
elérési idő több perc is lehet.
- optikai kompakt lemez (CD):
- a tárkapacitás 250 Mb körüli érték,
- véletlen elérésű, de a várakozási idő 1 másodperc vagy ennél
hosszabb is lehet.
Kötetek
- A kötet a tárolás fizikai egysége pl. egy mágnesszalag, CD,
floppy lemez vagy merev lemez.
Állományok
- Az állomány az adatok logikai gyűjteménye - pl. egy táblázat,
szövegrészlet, program vagy térkép.
- Egy köteten sok állomány tárolható.
- Az állományokat nevükkel azonosítjuk.
- Az elnevezés szabályai az alkalmazott rendszer típusától
függnek.
- A számítógép operációs rendszere a kötetben őrzött
állományokat egy könyvtár táblázatban (directory) azonosítja.
- Az állományok azonosítása a címtárban nevükkel, méretükkel,
a létrehozás idejével és gyakran a tartalom típusával történik.
- A felhasználók az állományokat gyakran kisebb csoportokba
gyűjtik, melyeket alkönyvtárakban (subdirectory) csoportosítva tárolnak.
e. szoftver
Programok
- A program egy adott feladat megoldására szolgáló utasítások
láncolata, az utasításokat a központi egység egyenként hajtja végre.
- A programok meghatározzák, hogyan kell a számítógépnek
reagálni a bemenő adatokra, milyen eredményeket kell megjeleníteni illetve a kimeneti
egységre küldeni.
- A programoknak három típusa van: operációs rendszerek, programfordítók
és -szerkesztők valamint a felhasználói programok.
Operációs rendszer
- Az operációs rendszer (operation system, OS) egy olyan szoftver,
amely a bekapcsolás vagy rendszerhívás (boot) pillanatától vezérli a a
számítógép működését:
- az operációs rendszer irányítja mind a bemeneti és kimeneti
egység munkáját, mind a más programok működését,
- az operációs rendszer úgy teszi lehetővé az állományokkal
való műveleteket a felhasználók számára, hogy nem kell ismerniük részleteiben az
adattárolás és visszakeresés módját.
- A többfelhasználós rendszerekben az operációs rendszer kezeli a
felhasználói hívásokat a processzor és a perifériák felé, ütemezi a munkákat.
- Általánosan használt operációs rendszerek a következők:
- Az IBM PC gépek operációs rendszere a DOS (MS-DOS
vagy DR-DOS), bár egyre többen választják az OS/2 operációs rendszert.
- A UNIX (és más hasonló rendszerek, mint az AIX, XENIX) a
munkaállomás (workstation) kategória operációs rendszere.
- A nagygépes kategóriában az operációs rendszer nem ilyen
egységes, függ a gyártótól - a VMS a DEC cég VAX gépeire készült, a PRIMOS
Prime gépeken fut, a CMS az IBM nagygépjein stb.
- Bár az operációs rendszerek funkciói hasonlóak, ennek ellenére
elég nehéz feladat egyik operációs rendszerből a másik operációs rendszerbe való
adatátvitel,
- sok szoftvercsomag csak egy operációs rendszerben fut vagy merőben
eltérő változatai léteznek a különböző operációs rendszerekben.
Programnyelvek
- A számítógépek elektromos és bináris műveletekkel dolgoznak,
ezért a központi egységre jutó minden utasításnak gépi kódban kell lennie.
- Az ember számára a gépi kódon keresztül történő
kommunikáció nagyon körülményes lenne.
- A programokat írhatjuk speciális nyelven, melyet assembler-nek
hívunk, és amely a programozók számára biztosítja az adott géptípus minden
lehetőségének, előnyének kihasználását azáltal, hogy az alapműveletek címzése
közvetlenül történik.
- Az assembler nyelvek nehezen érthetők, használhatuk
körülményes,
- ezen kívül erősen rendszerfüggők, így nem lehet a kifejlesztett
programokat az egyik gépről a másikra átvinni.
- A legtöbb programot szabványos, magasszintű programnyelveken
írják, ilyenek a C, a Pascal, a FORTRAN, a BASIC stb., melyek bármilyen
számítógépen - a mikrótól a nagygépig - használhatók.
- Ezeket a programokat forrásprogramoknak hívjuk (source code).
- A magasszintű nyelvek általában a legegyszerűbb angol szavakat
és a megszokott matematikai szerkezeteket használják.
- A szerkesztőprogram (compiler) feladata az, hogy a
magasszintű programnyelven írt forrásprogramot az adott gép (platform) számára
érthető gépi kóddá alakítsa.
- A C szerkesztő eredménye egy IBM PC gépen szinte egyáltalán nem
hasonlít egy VAX gép C szerkesztője által készített gépi kódhoz.
- Bár a programfejlesztések, így a GIS fejlesztések is,
magasszintű nyelveken történnek, a forrásprogramokat általában gépi kódra
fordítják a terjesztés előtt, és ezeket a gépi kódú programokat árusítják.
- Erre azért van szükség, hogy védjék a fejlesztők kereskedelmi
érdekeit
Alkalmazói programok
- Az alkalmazói programokat a speciális felhasználói igények
kielégítésére fejlesztik:
- pl. GIS, szövegszerkesztő, táblázatkezelő, statisztikai
programcsomagok, grafikus programok, repülőjegy foglaló rendszerek, irodai rendszerek
stb.
f. szövegSzerkesztők
- A szövegszerkesztők feladata állományok létrehozása és
módosítása.
- Ezeket használjuk leggyakrabban programok vagy szöveges
állományok írására illetve módosítására.
- A numerikus adatok állományba való töltésére és
szerkesztésére szolgálnak a speciális adatbázis programok illetve a
táblázatkezelők (lásd G és H modul).
- A szövegszerkesztők és szövegfeldolgozók általában az
"azt kapod amit látsz" típusúak (angolul WYSIWYG azaz "what you see is
what you get"):
- a képernyőn az állomány tartalma nyomtatáshűen jelenik meg,
- IBM PC környezetben a legjobb szóvegszerkesztők a Wordstar,
WordPerfect és a Microsoft Word.
- Ha rendelkezünk egy nyomtatóval, akkor az állomány tartalmát
kinyomtathatjuk, un. "hard copy" készíthető.
- A nagygépek rendszerint sokféle szövegszerkesztőt kínálnak
felhasználásra,
- sajnos ezek szabványosítása még nem történt meg.
- Az operációs rendszer alapelemeinek megértése után a
szövegszerkesztő működésének, használatának elsajátítása a legfontosabb.
- Szövegszerkesztő nélkül nem tudjuk a rendszert hatékonyan
használni.
g. adatbáziskezelők
- Az adatbáziskezelők olyan programcsomagok, melyeket adatok
betöltésére, szerkesztésére, manipulálására és elemzésére dolgoztak ki.
- Azért, hogy az adatbáziskezelő fogadni és feldolgozni tudja az
adatokat, sorokba (rekordokba) kell szervezni azokat, a rekordok információkat adnak
egyedi esetekről, személyekről, helyekről, objektumokról stb.
- A rekordok mezőkből állnak, minden mező egy adatot tartalmaz.
- A mezők száma és az azonos oszlopba eső mezőka jellege a
rekordok egy adott halmazára azonos kell, hogy legyen,
- pl. az "utcák" adathalmazban (osztályban) minden
rekordnak a típus, név, hossz, burkolat mezőket kell tartalmaznia.
- A mező tartalma többféle lehet - számszerű vagy szöveges, fix
vagy változó hosszúságú.
- Egy adatbázisban több adathalmaz lehet,
- pl. egy repülőjegy foglaló rendszer adatbázisában az alábbi
négy adathalmaz:
utasok: név, telefonszám, járatszám,
repülőgépek: típus, azonosítási szám, férőhely,
személyzet: kapitány, másodkapitány, légikísérők,
járat: szám, indulási idő, érkezési idő, repülőgép.
Az adatbáziskezelők funkciói:
- a rekordok létrehozása, feltöltése és szerkesztése,
- jelentések nyomtatása (rekordok csoportosítása), megfelelően
előkészített jelentésformák felhasználásával, részösszegek és összegek
képzésével,
- a felhasználó által meghatározott előírásoknak megfelelő
rekordok kiválogatása,
- a rekordok tartalmának felújítása,
- rekordok összefűzése, pl. egy utas érkezési idejének
lekérdezése az utasok és a járat rekordok összefűzésével.
Az adatbázisok három típusa
- A hálózatos (network), a hierarhikus és a relációs
adatmodellezés képezi az adatbázisok alaptípusait.
- A GIS alkalmazásokban mindhárom használatos, de a relációs
modell a legelterjedtebb,
- a későbbiekben erre részletesen kitérünk.
- Közismert relációs adatbáziskezelő rendszerek (RDBMS) a dBase,
Oracle, Info, ezeket több GIS alkalmazza.
- Sok adatbáziskezelő közös vagy nagyon hasonló nyelvet használ
(Standard Query Language, SQL) az adatok lekérdezésére.
h. táblázatkezelők
- A táblázatkezelő rendszerek a számszerű adatok táblázatba
foglalására és feldolgozására, elemzésére szolgálnak.
- Sor- és oszlopösszegek, százalékszámítás aritmetikai
műveletek automatikusan végezhetők, sőt egy mező módosítása, aktualizálása után
a képzett értékek is helyesbítésre kerülnek.
- A Lotus 1-2-3 talán a legismertebb táblázatkezelő az IBM PC
környezetben, de sokan használják a Quattro és az Excel táblázatkezelőket.
i. STAtisztikai csomagok
- A statisztikai programok széleskörű lehetőségeket adnak az
adatok statisztikai elemzésére (az adatok főképpen számszerűek).
- A statisztikai programok tartalmaznak:
- adatbázis funkciókat, mint pl. szerkesztés, nyomtatás,
- grafikus megjelenítési funkciókat, főképpen diagramok
szerkesztésére, de esetenként térképszerkesztésre is.
- Közismert nagygépes csomagok a SAS, SPSS, BMD,
- ezek elérhetőek sokféle operációs rendszerből,
- néhányat adaptáltak IBM PC gépekre is.
- Sok egyéb statisztikai programot fejlesztettek speciálisan PC DOS
környezetre.
- Az S a UNIX operációs rendszer legáltalánosabb statisztikai
programcsomagja.
irodalom
Maguire, D.J., 1989. Computers in Geography, John Wiley and
Sons, Inc., New York.
Naprakész információk olvashatók a számítástechnikai lapokban,
pl. Byte, PC Magazine, Számítástechnika illetve a Térinformatika.
Forgassuk az operációs rendszerek, szövegszerkesztők,
fordítóprogramok és az adott felhasználói programok kézikönyveit.
Ellenőrző kérdések
1. Hasonlítsa össze a szóbajöhető adattárolási
megoldásokat, ha (a) egy EOS műhold adatainak tárolása (1 Terabájt/nap), (b) egy
úthálózat nyilvántartási adatbázis megvalósítása (10 Gigabájt, 10 évenkénti
adatfelújítással illetve (c) egy környezetvédelmi hatástanulmány készítése (100
Megabájt) a feladat.
2. "A felhasználók elvárásai a tárolóegységekkel szemben
legalább olyan gyorsan nőnek, mint azok kapacitása". Igaz-e az állítás?
3. Mit gondol arról a tényről, hogy a számítógépgyártók
képtelenek elfogadni egy általános, közös operációs rendszert és egy egyszerű
forrásnyelvet?
4. Határozza meg az alapvető különbségeket az adatbáziskezelők,
táblázatkezelők és a statisztikai programcsomagok között. Melyek a legfontosabbak
(a) egy kutatóintézetben, (b) egy kis cég irodájában, (c) az Ön személyes
költségeinek nyilvántartására?
|