1.3. Системы счисления (см. Основные теоретические сведения к самостоятельной работе №2)

Позиционные системы счисления. Двоичная и шестнадцатеричная системы счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Арифметические операции над числами в разных системах счисления.

1.4. Кодирование информации (самостоятельно)

Понятие кода и кодирования. Кодирование числовой информации. Прямой, обратный и дополнительный коды. Числа в форме с фиксированной и плавающей запятой. Кодирование символьной информации.

Понятие кода и кодирования.

Кодирование информации – процесс преобразования информации из формы, удобной для непосредственного использования, в форму, удобную для передачи, хранения или автоматической обработки. Обратный процесс называется декодированием.

Код – правило сопоставления каждому конкретному сообщению строго определённой комбинации символов. Кодом также называется отдельная комбинация таких символов (кодовое слово).

2. Технические и программные средства информационных технологий

2.1. Вычислительные машины и принципы их функционирования

Понятия вычислительной машины (ВМ) и вычислительной системы (ВС). Поколения и семейства ВМ. Виды современных ВМ по области применения. Понятия архитектуры и организации ВМ. Принципы фон Неймана. Классическая архитектура ВМ и ее основные элементы. Шинная архитектура ВМ. Быстродействие и производительность ВМ.

Виды современных ВМ по области применения.

По области применения можно выделить следующие основные группы вычислительных машин:

1). Микроконтроллеры (встроенные компьютеры)

2). Персональные компьютеры

3). Игровые компьютеры

4). Рабочие станции

5). Серверы

6). Кластеры

7). Мэйнфреймы

Быстродействие и производительность ВМ.

Выделяют два вида быстродействия ВМ: номинальное и среднее.

Номинальное быстродействие V_ном характеризует возможности ВМ при выполнении стандартной операции. В качестве стандартной операции обычно выбирают операцию сложения. Если через τ_сл обозначить время, то номинальное быстродействие определится из выражения:

.

Среднее быстродействие V_ср характеризует скорость вычислений при выполнении эталонного алгоритма или некоторого класса алгоритмов. Среднее быстродействие определяется соотношением:

;

где T_э – время выполнения эталонного алгоритма; N – количество операций, содержащихся в эталонном алгоритме.

Производительность P вычислительной машины оценивается количеством эталонных алгоритмов, выполняемых в единицу времени:

.

2.2. Логические основы функционирования вычислительных машин (см. основные теоретические сведения к самостоятельной работе №3)

2.3. Функциональная организация персонального компьютера

Основные особенности персонального компьютера (ПК). Общая структура ПК. Материнская плата. Шины передачи информации. Центральный процессор. Оперативная память. ROM BIOS. Жесткий диск и оптические приводы.

2.4. Внешние устройства персонального компьютера (самостоятельно)

Назначение и классификация устройств ввода-вывода. Манипуляторы. Дисплеи (мониторы). Печатающие устройства и сканеры. Устройства мультимедиа.

2.5. Основные виды программного обеспечения (самостоятельно)

Классификация программного обеспечения ПО. Системное ПО. Инструментальное ПО. Прикладные программы.

2.6. Операционные системы

Назначение ОС. Виды ОС. Процессы и потоки. Управление памятью. Виртуальная память. Управление вводом-выводом. Драйверы устройств. Файловые системы.

3. ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И ПРОГРАММИРОВАНИЯ

3.1. Основные понятия алгоритмизации вычислительных процессов

Понятие алгоритма и его свойства. Способы описания алгоритмов. Основные алгоритмические конструкции (линейная, разветвляющаяся, циклическая, рекурсивная). Формализация понятия алгоритма

3.2. Языки программирования

Понятие программирования. Язык программирования и его основные элементы. Компиляторы и интерпретаторы. История развития языков программирования. Классификация языков программирования. Системы программирования. Этапы подготовки и решения задачи на компьютере

3.3. Объектно-ориентированное программирование

4. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И БАЗЫ ДАННЫХ

4.1. Понятие и классификация и информационных систем

Понятие системы (система, элемент, связь, структура). Понятие информационной системы. Классификация информационных систем (по типу хранимой информации, по степени автоматизации, по характеру обработки данных, по сфере применения).

Понятие системы (система, элемент, связь, структура).

Система – совокупность объектов (элементов), взаимодействующих между собой и образующих определенную целостность, единство. При этом связь между элементами системы должна быть гораздо более сильной, чем связь каждого из этих элементов с частями других систем. Например, собранный и работающий автомобиль является системой. Гора деталей, из которых состоит данный автомобиль, системой не является.

Под элементом системы понимается ее часть, предназначенная для выполнения определенных функций и неделимая на составные части при заданном уровне рассмотрения. Элемент системы может в свою очередь рассматриваться в качестве системы, а система, взятая в целом, может быть элементом более общей системы. Система более низкого уровня называется подсистемой, а система более высокого уровня – надсистемой.

Связями называются элементы систем, осуществляющие непосредственное взаимодействие между другими элементами. Понятие связь одновременно характеризует строение (статику) и функционирование (динамику) системы.

Свойства системы проявляются при ее взаимодействии с окружающей средой (окружением), под которой понимают множество существующих вне системы элементов, оказывающих влияние на систему или находящихся под ее влиянием.

Структура системы – наиболее существенные взаимодействия (связи) между элементами системы, которые мало меняются при изменении состояния системы и обеспечивают существование системы и ее основных свойств.

Следует отметить, что при удалении из системы одного или нескольких элементов структура может остаться неизменной, а система может сохранить свою качественную определенность (в частности, работоспособность). Например, если из автомобиля убрать все элементы, которые обеспечивают безопасность и комфорт водителя и пассажиров, то от этого он не потеряет работоспособность, то есть структура останется неизменной.

Понятие информационной системы.

Информационная система (ИС) – это любая система, реализующая или поддерживающая информационные процессы.

Информационный процесс – это любой процесс, в котором присутствует хотя бы один из элементов: передача информации, ее прием, хранение, обработка, выдача пользователю.

В состав ИС помимо технических и программных средств также входят люди.

Существует множество других определений информационной системы.

Согласно отечественным стандартам, информационная система – это совокупность следующих элементов:

• информационные процессы конкретной предметной области;

• средства и методы сбора, хранения, обработки и передачи информации, зависящие от специфики области применения;

• методы управления информационными, материальными и финансовыми потоками.

Информационные системы функционируют на уровне мирового хозяйства, в различных отраслях хозяйства страны или региона; в муниципальных, государственных, негосударственных и международных организациях различного назначения; на предприятиях всех организационных форм и видов собственности.

Классификация информационных систем.

Разнообразие проблем, решаемых с помощью ИС, привело к появлению разнотипных систем, различающихся принципами построения и заложенными в них правилами обработки информации.

Классификация информационных систем по различным признакам представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Классификация информационных систем

По степени автоматизации информационных процессов в системе управления организацией, ИС делятся на ручные, автоматические и автоматизированные.

Автоматизация – замена труда человека машинным трудом в операциях контроля и управления.

Ручные ИС характеризуются отсутствием современных технических средств передачи, обработки и представления информации и выполнением всех операций человеком.

В автоматических ИС все операции по обработке информации выполняются без участия человека.

Автоматизированные ИС (АИС) предполагают участие в процессе обработки информации и человека, и технических средств, причем главная роль в выполнении рутинных операций обработки данных отводится вычислительной технике. Именно этот класс систем соответствует современному представлению понятий «информационная система».

В ГОСТ 34.003-90 [4] приводится нижеследующее определение:

Автоматизированная информационная система (АИС) – это система, состоящая из персонала и комплекса средств автоматизации его деятельности, реализующая информационную технологию установленных функций.

Комплекс средств автоматизации (КСА) – совокупность всех компонентов АИС, за исключением персонала.

Пользователь АИС – лицо, участвующее в функционировании АС или использующее результаты ее функционирования.

По типу хранимых данных информационные системы делятся на фактографические и документальные.

Фактографические системы предназначены для хранения и обработки структурированных данных в виде чисел и текстов. Над такими данными можно выполнять различные операции по обработке.

Документальные системы предназначены для хранения, поиска и предоставления пользователю неструктурированной информации в виде документов. Обработка данных в таких системах практически не производится.

В зависимости от характера обработки данных ИС делятся на информационно-поисковые и информационно-решающие.

Информационно-поисковые системы производят ввод, систематизацию, хранение и выдачу информации по запросу пользователя без сложных преобразований данных. Например, ИС библиотечного обслуживания, резервирования и продажи билетов на транспорте, бронирования мест в гостиницах и пр.

Информационно-решающие системы осуществляют, кроме того, операции переработки информации по определенному алгоритму. По характеру использования выходной информации такие системы принято делить на управляющие и советующие. Результирующая информация управляющих АИС непосредственно трансформируется в принимаемые человеком решения. Для этих систем свойственны задачи расчетного характера и обработка больших объемов данных, например АИС планирования производства или заказов, бухгалтерского учета. Советующие АИС вырабатывают информацию, которая принимается человеком к сведению и учитывается при формировании управленческих решений, а не инициирует конкретные действия. Эти системы имитируют интеллектуальные процессы обработки знаний, а не данных (например, экспертные системы).

В зависимости от сферы применения различают следующие классы АИС:

1). Системы организационного управления, которые предназначены для автоматизации функций управленческого персонала как промышленных предприятий, так и непромышленных объектов (гостиниц, банков, магазинов и пр.). Основными функциями подобных систем являются: оперативное планирование, бухгалтерский учет, управление сбытом и снабжением и другие организационно-экономические задачи.

2). Автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП), которые служат для автоматизации функций производственного персонала по контролю и управлению производственными операциями. В таких системах обычно предусматривается наличие развитых средств измерения параметров технологических процессов (температуры, давления, химического состава и т. п.), процедур контроля допустимости значений параметров и регулирования технологических процессов.

3). Системы автоматизированного проектирования (САПР) предназначены для автоматизации функций инженеров-проектировщиков, конструкторов, архитекторов, дизайнеров при создании новой техники. Основными функциями подобных систем являются: инженерные расчеты, моделирование проектируемых объектов, создание проектной документации (чертежей, схем, спецификаций и др.).

4). Интегрированные (корпоративные) ИС используются для автоматизации всех функций предприятия и охватывают весь цикл работ – от планирования деятельности до сбыта продукции. Они включают в себя ряд модулей (подсистем), работающих в едином информационном пространстве и выполняющих функции поддержки соответствующих направлений деятельности.

5. БАЗОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО ВЫПОЛНЕНИЯ

1. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ИНФОРМАЦИИ

1.1. Цель работы

Целью работы является закрепление теоретических сведений по количественным мерам информации, а также приобретение умения количественной оценки информации в дискретных сообщениях.

1.2. Основные теоретические сведения

При оценке количества информации используется вероятностный подход. Это подход основан на использовании понятий и методов такой математической науки, как теория вероятностей.

Одним из основных понятий теории вероятностей является понятие вероятности случайного события, то есть события которое при заданных условиях опыта может произойти или не произойти. Например, при подбрасывании монеты может выпасть решка, а может и не выпасть (выпадет орел).

Вероятностью случайного события A называется отношение числа n исходов опыта, в которых это событие произошло, к общему числу N исходов этого опыта:

.

Из приведенного определения следует, что вероятность p может принимать значения в интервале от 0 до 1:

• если p_A = 0, то событие A является невозможным;

• если p_A = 1, то событие A является неизбежным;

• если 0 < p_A < 1, то событие A является случайным.

Например, в сообщении «мама мыла раму маша ела кашу», состоящем из 28 символов (включая пробел), буква «а» встречается 8 раз. Следовательно, вероятность появления буквы «а» в указанном сообщении будет:

p = 8 / 28 ≈ 0,286.

При определении количества информации в сообщении вероятностный подход предполагает, что существует источник сообщений, который может в каждый момент времени случайным образом передавать один символ из своего алфавита (рис. 1.1). В теории информации такой источник называют дискретным источником сообщений.

Рис. 1.1. Передача сообщений от источника к получателю

Дискретный источник сообщений в общем случае характеризуется ансамблем S, то есть алфавитом своих символов с вероятностями их появления, составляющими в сумме единицу:

; причем ;

где m – размер алфавита.

Важным является вопрос о том, сколько информации поступает при приеме одного из символов алфавита источника. Путем несложных рассуждений можно доказать (см. материал лекции «Информация, ее виды и свойства»), что количество информации I, переносимое одним символом, и вероятность p появления этого символа в сообщении связаны следующей зависимостью:

I = log_а(1/p) = – log_аp;

где основание a логарифма log_аp определяет единицу измерения информации:

• a = 2 → бит;

• a = 10 → дит (хартли);

• a = e ≈ 2,72… → нат.

В теории информации, как и в теории вероятности, принято работать с усредненными характеристиками случайных величин. Если при приеме символа s_i получаем I_i информации, то сколько информации получаем в среднем? Поскольку вероятность получить количество информации I_i равна p_i, то в среднем для каждого символа s_i получим

.

Усредняя по всему алфавиту символов размером m, получим следующую величину

, (бит/символ). (1.1)

Величина H(S) называется энтропией дискретного источника сообщений, задаваемого ансамблем S.

Энтропия дискретного источника сообщений является мерой неопределенности выбора этим источником состояния из ансамбля S и численно равна среднему количеству информации, приходящейся на один символ сообщения.

Пример 1.1. Определение энтропии дискретного источника сообщений

Пусть требуется определить энтропию H(S) дискретного источника сообщений S, алфавит которого состоит из четырех символов s₁, s₂, s₃, s₄. Вероятности появления этих символов в сообщениях соответственно равны p₁ = 0,3, p₂ =0,25, p₃ = 0,1, p₄ = 0,35.

По формуле (1.1) получим:

H(S) = – (0,3∙log₂0,3 + 0,25∙log₂0,25 + 0,1∙log₂0,1 + 0,35∙log₂0,35) = 0,5211 + 0,5000 + 0,3322 + 0,5301 = 1,8834 (бит/символ).

Таким образом, энтропия источника сообщений составляет 1,8834 (бит/символ).

Количество информации в сообщении, состоящем из n символов, может быть найдено по формуле Шеннона:

(бит). (1.2)

Пример 1.2. Определение количества информации в сообщении

Пусть требуется определить количество информации в сообщении «От сессии до сессии живут студенты весело» при отсутствии статистической связи между символами. Дополнительно требуется определить объем информации, занимаемый сообщением, если все символы закодированы в системе Unicode (16 бит).

Количество информации в дискретном сообщении можно найти по формуле Шеннона (1.2). В заданном сообщении вместе с пробелами присутствует 41 символ. С учетом отсутствия связи между символами энтропия русского алфавита (см. примечание к табл. П.2) равна 4,31 бит/символ. Отсюда количество информации будет:

I = 41∙4,31 = 176,71 (бит).

Объем информации, занимаемый сообщением:

V = 41∙16 = 246 (бит).