Лекции_ОЗО_ИНФОРМАТИКА

Лекции по дисциплине «Информатика»

(для студентов заочного отделения)

Информатика и информация. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации.

ИНФОРМАЦИЯ (от лат. informatio — разъяснение, изложение), первоначально — сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т. д.); с сер. 20 в. общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму; одно из основных понятий кибернетики.

КИБЕРНЕТИКА (от греч. kybernetike — искусство управления), наука об управлении, связи и переработке информации.

ИНФОРМАТИКА - наука об общих свойствах и закономерностях информации, а также методах ее поиска, передачи, хранения, обработки и использования в различных сферах деятельности человека. Как наука сформировалась в результате появления ЭВМ. Включает в себя теорию кодирования информации, разработку методов и языков программирования, математическую теорию процессов передачи и обработки информации.

Термин информатика возник в 60-х гг. во Франции для названия области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин informatigue (информатика) образован путем слияния слов information (информация) и automatigue (автоматика) и означает "информационная автоматика или автоматизированная переработка информации". В англоязычных странах этому термину соответствует синоним computer science (наука о компьютерной технике).

Задачи информатики состоят в следующем:

o исследование информационных процессов любой природы;

o разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов;

oрешение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.

Свойства информации Эффективность использования информации определяется рядом ее свойств:

1.репрезентативность – связана с правильностью отбора (обоснованность отбора, существование признаков);

2.содержательность – отражает семантическую емкость (меньше слов, больше информации);

3.полнота (достаточность) – для принятия правильно решения и без избыточности;

4.доступность – обеспечивается выполнение соответствующих процедур ее получения и преобразования;

5.актуальность – определяется степенью сохранения ценности информации для управления в интервале и момент времени;

1

6.своевременность;

7.точность – степень близости к информации к информации о состоянии реального объекта;

8.достоверность – измеряется вероятность того, что значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности;

9.адекватность – это степень соответствия реальному объективному состоянию дел. Неадекватная информация образуется, если данные неполные и недостоверные, но если и используются неадекватные методы (например, плохой перевод).

Основные информационные процессы:

Сбор информации

Хранение информации

Обработка информации

Передача информации

Информатизация – процесс широкого внедрения современных высокотехнологичных систем обработки и использования информации во всех сферах жизни общества, роста информационных ресурсов и накопления интеллектуального потенциала общества в цифровом формате.

Измерение и кодирование информации

Содержательный подход к измерению информации

Получение новой информации приводит к расширению знаний. Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности нашего знания, то можно говорить, что такое сообщение содержит информацию.

Отсюда следует вывод, что сообщение информативно (т.е. содержит ненулевую информацию), если оно пополняет знания человека. Например, прогноз погоды на завтра — информативное сообщение, а сообщение о вчерашней погоде неинформативно, т.к. нам это уже известно.

Нетрудно понять, что информативность одного и того же сообщения может быть разной для разных людей. Например: «2x2=4» информативно для первоклассника, изучающего таблицу умножения, и неинформативно для старшеклассника.

Но для того чтобы сообщение было информативно оно должно еще быть понятно.

Быть понятным, значит быть логически связанным с предыдущими знаниями человека.

Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем сведения являются для него новыми и понятными.

Очевидно, различать лишь две ситуации: «нет информации» — «есть информация» для измерения информации недостаточно. Нужна единица измерения, тогда мы сможем определять, в каком сообщении информации больше, в каком — меньше.

Единица измерения информации была определена в науке, которая называется теорией информации. Эта единица носит название «бит». Ее определение звучит так:

Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации. Неопределенность знаний о некотором событии — это количество возможных результатов

события.

Пример 1. После сдачи зачета или выполнения контрольной работы ученик мучается неопределенностью, он не знает, какую оценку получил.

«Зачет», «незачет»? «2», «3», «4» или «5»?

Наконец, учитель объявляет результаты, и он получает одно из двух информационных сообщений: «зачет» или «незачет», а после контрольной работы одно из четырех информационных сообщений: «2», «3», «4» или «5».

Информационное сообщение об оценке за зачет приводит к уменьшению неопределенности знания в два раза, так как получено одно из двух возможных информационных сообщений. Информационное

2

сообщение об оценке за контрольную работу приводит к уменьшению неопределенности знания в четыре раза, так как получено одно из четырех возможных информационных сообщений.

Формула вычисления количества информации

Американский инженер Р. Хартли в 1928 г. процесс получения информации рассматривал как выбор одного сообщения из конечного наперёд заданного множества из N равновероятных сообщений, а количество информации I, содержащееся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N.

Формула Хартли: I = log2N

Если обозначить возможное количество событий, или, другими словами, неопределенность знаний N, а буквой I количество информации в сообщении о том, что

произошло одно из N событий, то можно записать формулу:

2I = N

Количество информации, содержащееся в сообщении о том, что произошло одно из N равновероятных событий, определяется из решения показательного уравнения: 2I = N.

Алфавитный подход к измерению информации

При алфавитном подходе к определению количества информации отвлекаются от содержания информации и рассматривают информационное сообщение как последовательность знаков определенной знаковой системы.

Алфавит – конечная последовательность символов, используемых для представления данных. В вычислительной технике используется двоичный алфавит.

Полное количество символов алфавита принято называть мощностью алфавита.

Двоичный алфавит

Кодирование – это выражение данных одного типа через данные другого.

Код – это алфавит + система правил, на основе которых производится запись звука, графики, числовых данных в двоичном коде.

Двоичный алфавит состоит из двух знаков – 0, 1. Эти знаки называют двоичными числами (binary digit или bit).

Единицы измерения информации

1 байт = 8 бит

Широко используются также более крупные производные единицы информации:

1Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 210 байт,

1Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 220 байт,

1Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 байт.

Впоследнее время в связи с увеличением объёмов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

1Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 240 байт,

1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 250 байт.

Аналоговая и дискретная форма представления информации

Информация, в том числе графическая и звуковая, может быть представлена в аналоговой или дискретной форме. При аналоговом представлении физическая величина принимает бесконечное множество значений, причем ее значения изменяются непрерывно. При дискретном представлении физическая величина принимает конечное множество значений, причем ее величина изменяется скачкообразно.

3

Приведем пример аналогового и дискретного представления информации.

Положение тела на наклонной плоскости и на лестнице задается значениями координат X и У. При движении тела по наклонной плоскости его координаты могут принимать бесконечное

множество непрерывно изменяющихся значений из определенного диапазона, а при движении по лестнице — только определенный набор значений, причем меняющихся скачкообразно.

Примером аналогового представления графической информации может служить, например, живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно, а дискретного — изображение, напечатанное с помощью струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета. Примером аналогового хранения звуковой информации является виниловая пластинка (звуковая дорожка изменяет свою форму непрерывно), а дискретного — аудиокомпакт-диск (звуковая дорожка которого содержит участки с различной отражающей способностью).

Преобразование графической и звуковой информации из аналоговой формы в дискретную производится путем дискретизации, то есть разбиения непрерывного графического изображения и непрерывного (аналогового) звукового сигнала на отдельные элементы. В процессе дискретизации производится кодирование, то есть присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода.

Дискретизация – это преобразование непрерывных изображений и звука в набор дискретных значений в форме кодов.

Двоичное кодирование графической информации

Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

ИЗОБРАЖЕНИЯ

РАСТРОВЫЕ		ВЕКТОРНЫЕ

Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Пиксель - минимальный участок изображения, цвет которого можно задать независимым образом.

В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация. Изображение разбивается на отдельные маленькие фрагменты (точки), причем каждому фрагменту присваивается значение его цвета, то есть код цвета

(красный, зеленый, синий и так далее).

4

Качество изображения зависит от количества точек (чем меньше размер точки и, соответственно, больше их количество, тем лучше качество) и количества используемых цветов (чем больше цветов, тем качественнее кодируется изображение).

Кодирование звука

Использование компьютера для обработки звука началось позднее, нежели чисел, текстов и графики.

Звук – волна с непрерывно изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда, тем он громче для человека, чем больше частота, тем выше тон.

В процессе кодирования звукового сигнала производится его временная дискретизация – непрерывная волна разбивается на отдельные маленькие временные участки и для каждого такого участка устанавливается определенная величина амплитуды.

Таким образом непрерывная зависимость амплитуды сигнала от времени заменяется на дискретную последовательность уровней громкости.

5

Технические средства реализации информационных процессов

Архитектура компьютера

Термин архитектура ЭВМ используется для описания принципа действия, конфигурации и взаимного соединения основных логических узлов ЭВМ (вследствие чего термин “архитектура” оказывается ближе к обыденному значению этого слова)”.

Классическая архитектура ЭВМ и принципы фон Неймана

Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. Он подключился к созданию первой в мире ламповой ЭВМ ENIAC в 1944 г., когда ее конструкция была уже выбрана. В процессе работы во время многочисленных дискуссий со своими коллегами Г. Голдстайном и А. Берксом фон Нейман высказал идею принципиально новой ЭВМ.

Положения фон Неймана:

Компьютер состоит из нескольких основных устройств (арифметико-логическое устройство, управляющее устройство, память, внешняя память, устройства ввода и вывода)

Арифметико-логическое устройство – выполняет логические и арифметические действия, необходимые для переработки информации, хранящейся в памяти

Управляющее устройство – обеспечивает управление и контроль всех устройств компьютера (управляющие сигналы указаны пунктирными стрелками)

Данные, которые хранятся в запоминающем устройстве, представлены в двоичной форме

Программа, которая задает работу компьютера, и данные хранятся в одном и том же запоминающем устройстве

Для ввода и вывода информации используются устройства ввода и вывода

Персональный компьютер – это сложная система, предназначенная для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Для использования компьютерной техники необходимо наличие двух взаимосвязанных компонентов, двух видов обеспечения – технического (аппаратного) и программного.

К аппаратному обеспечению (hardware, железо) относятся устройства и приборы (оборудование), образующие аппаратную конфигурацию. Программные средства («software») – это набор программ, которые и заставляют аппаратную часть системы выполнять необходимые действия, «оживляют» компьютер.

Технические средства компьютера: центральные устройства

Все устройства, входящие в состав современного компьютера, делятся на два класса:

Центральные (внутренние)

Периферийные (внешние)

Системная плата (motherboard - материнская плата)

На системной плате расположены все основные компоненты компьютера:

центральный процессор,

оперативная память,

ПЗУ (постоянное запоминающее устройство),

энергонезависимая память,

контроллер клавиатуры и т.д.

Контроллер – это плата, управляющая работой конкретного типа внешних

устройств и обеспечивающая их связь с системной (материнской платой).

Процессоры

Основные характеристики процессоров: 1. Тактовая частота;

6

Микропроцессор выполняет определенные операции (запись, чтение, обработку данных) в точно отведенные единицы времени (такты), что необходимо для синхронизации процесса. Обработка информации тем быстрее, чем выше тактовая частота. Измеряется она в МГц (MHz, мегагерцах) и ГГц (GHz, гигагерцах).

2.Разрядность обрабатываемых данных Различают внутреннюю и внешнюю разрядность данных.

Внутренняя разрядность данных - это количество бит, которые одновременно

может обрабатывать процессор внутри себя (Существуют 16, 32, 64 -разрядные процессоры).

Внешняя разрядность данных - это количество бит, которыми может обмениваться процессор с другими элементами материнской платы (386SX: 32-битная внутренняя разрядность и 16-битная внешняя, 386DX: 32-битная разрядность внутренняя и внешняя

ит.д.)

3.Размер кеша(кеш-памяти) процессора;

Для ускорения работы процессора используется собственная кеш-память. Кэш

процессора - память SRAM быстрого доступа на триггерах и защелках, в которой временно хранится часто используемая информация. Эта память значительно повышает производительность вычислений. Кэш характеризуется объемом и частотой работы.

Оперативная память

Существует два типа оперативной памяти - память с произвольным доступом

(RAM или random access memory) и память, доступная только на чтение (ROM или read only memory). Процессор ЭВМ может обмениваться данными с оперативной памятью с очень высокой скоростью, на несколько порядков превышающей скорость доступа к другим носителям информации, например дискам.

Оперативная память - временная, т. е. данные в ней хранятся только до выключения ПК. Для долговременного хранения информации служат дискеты, винчестеры, компакт-диски и т. п. Конструктивно элементы памяти выполнены в виде модулей, так что при желании можно сравнительно просто заменить их или установить дополнительные и тем самым изменить объем общей оперативной памяти компьютера. Основными характеристиками элементов (микросхем) памяти являются: тип, емкость, разрядность и быстродействие.

ПЗУ - постоянное запоминающее устройство (BIOS - Basic Input/Output System)

Системная плата любого компьютера содержит постоянное запоминающее устройство - микросхему с записанным набором программ:

программу первоначальной загрузки компьютера. Программа первоначальной

загрузки получает управление после успешного завершения тестов и делает первый шаг для загрузки операционной системы.

программу первоначального тестирования компьютера. Эта программа получает

управление сразу после включения компьютера. Она проверяет все подсистемы компьютера. В случае обнаружения ошибки или неисправности компьютера отображает на экране соответствующее сообщение;

базовую систему ввода-вывода. Она представляет набор программ, используемых для управления основными устройствами компьютера. Базовая система вводавывода позволяет отображать на экране компьютера символы и графику, записывать и читать данные с магнитных дисков, печатать на принтере и решать много других важных задач;

7

Технические средства компьютера: внешние устройства

Все внешние устройства делятся на четыре группы:

1.Устройства ввода информации: клавиатура, ручные манипуляторы, сканеры, джойстики, трекбол, световое перо и т.д.

2.Устройства вывода информации: видеосистема, принтер, графопостроитель.

3.Устройства хранения информации: внешние запоминающие устройства.

4.Устройства связи и передачи информации: модемы, сетевые платы (адаптеры) и т.д.

Устройства ввода

Клавиатура служит для ввода информации. Для подключения клавиатуры имеется специальный порт клавиатуры. Стандартная клавиатура имеет более 100 клавиш. Для удобства пользования клавиши объединены в несколько групп:

Мышь Мышь или графический манипулятор — это удобное средство, с помощью

которого можно управлять объектами в графической операционной системе. Наиболее распространенной и дешевой является в настоящее время оптико-механическая мышка

и оптическая мышь.

Трекбол

Трекбол (англ. trackball, произносится /ˈtrækˌbɔːl/) — указательное устройство

ввода информации об относительном перемещении для компьютера. Аналогично мыши по принципу действия и по функциям. Трекбол функционально представляет собой перевернутую мышь. Шар находится сверху или сбоку и пользователь может вращать его ладонью или пальцами, при этом не перемещая корпус устройства.

Сканер

Сканер - устройство для ввода текстовой и графической информации в компьютер ("принтер наоборот").

Тип сканера

Описание

Планшетный Оригинал автоматически сканируется (планшетные сканеры очень напоминают копировальные устройства типа "ксерокс").

Ручной сканер дешев и прост в обращении, однако требует определенного навыка работы. Оператор сам проводит сканером по оригиналу, "снимая" с него изображение. Поскольку ширина захвата изображения у ручных

Ручной сканеров обычно меньше ширины листа, эта операция проводится несколько раз. Затем с помощью соответствующего программного обеспечения изображение отдельных полос "склеивается" на экране дисплея. После этого осуществляется дальнейшая обработка изображения.

Самую высокую точность обеспечивают эти сканеры, в которых

Барабанный считывающая головка неподвижна, а цилиндрический барабан вращается с высокой скоростью. Изображение закрепляют на цилиндрической

поверхности барабана.

Сенсорные экраны

Для ввода отдельных элементов изображения путем прикосновения к нужному месту пальцем или другим предметом.

Устройства вывода информации

Принтеры

Принтер - устройство для получения бумажных копий документов. Принтеры бывают

8

матричные

лазерные

струйные

твердокрасочные.

Матричный принтер (англ. dot matrix printer) — компьютерный принтер, формирующий изображения символов с помощью отдельных маленьких точек. Печатающая головка матричного принтера обычно содержит от 9 до 24 печатающих иголочек, которые выборочно ударяют по красящей ленте, создавая изображение на бумаге, расположенной за красящей лентой. Матричные принтеры — старейший из ныне применяемых типов принтеров, его механизм был изобретён в 1964 году корпорацией

Seiko Epson.

Для использования в офисе больше всего подходят лазерные принтеры, которые позволяют получать высококачественные черно-белые копии документов. Метод нанесения - электростатическое сухое порошковое нанесение изображения. Для печати используется обычная бумага для копировальных аппаратов.

Струйные принтеры

Принцип их действия основан на управлении тонкой струей специальных чернил, которые выбрасываются из сопла.

Следует, однако, иметь в виду, что качество печати струйных принтеров сильно зависит от качества бумаги, и фирма-изготовитель гарантирует высококачественную печать лишь на специальной бумаге.

Твердокрасочные принтеры позволяют получать цветные глянцевые высококачественные копии. Скорость печати при ее высоком качестве не велика - до 2-х копий в минуту. Для получения изображения на бумаге эти принтеры используют краски в виде твердых брусочков размером примерно со спичечную коробку утроенной толщины, которые по внешнему виду больше похожи на мыло или воск. Чернила 4-х цветов, цвет которых соответствует цветовой модели CMYK: синий, малиновый, желтый и черный.

Графопостроитель (от греч. γράφω — пишу, рисую), плоттер — устройство для автоматического вычерчивания с большой точностью рисунков, схем, сложных чертежей, карт и другой графической информации на бумаге размером до A0 или кальке. Графопостроители рисуют изображения с помощью пера (пишущего блока).

Устройства вывода звуковой информации – устройства для воспроизведения музыки (синтезаторы, музыкальные платы, колонки, звукогенераторы).

ТВ-тюнеры – устройство для просмотра телевизионных программ на компьютере.

Мониторы

Монитор - это устройство, через которое мы воспринимаем всю визуальную информацию от компьютера. Данные, отображаемые на экране монитора, хранятся в определенном блоке памяти компьютера (видеопамять). Управляет работой монитора устройство, размещенное в системном блоке и называемое видеокартой или видеоадаптером. Видеокарта вместе с монитором и образуют видеосистему.

Современные мониторы бывают постороенными на основе электронно-лучевой трубки (CRT) или жидко-кристаллическими (LCD). В CRT-мониторах изображение получается в результате свечения специального вещества - люминофора под воздействием потока электронов. LCD-мониторы сделаны из вещества, находящегося в жидком состоянии, но имеющего при этом некоторые свойства кристаллов.

9

Молекулы жидких кристаллов меняют свойство проходящего сквозь них светового луча, таким образом на мониторе создается изображение.

Устройства хранения информации

Внешняя дисковая память Разновидности дисков:

жесткие, или фиксированные, встроенные в системный блок компьютера и обычно называемые ВИНЧЕСТЕР, однако в последнне время начали продаваться внешние накопители на жестких магнитных дисках - внешние винчестеры.

гибкие, вставляемые в отверстия дисководов компьютера и называемые ДИСКЕТАМИ или флоппи-дисками. Дисководы размещаются в системном блоке компьютера.

оптические диски (CD-ROM), которые читаются специальными устройствами тоже встроенным в системный блок. В настоящее время существуют диски однократной записи (CD-R) и многократной записи(CD-RW = CD-ReWritable).

DVD диски - расшифровывается аббревиатура DVD как digital versatile disc, т.е. универсальный цифровой диск. Самые простые DVD-диски (однослойные и односторонние) имеют емкость 4,7 Гб.

Диск Blue-ray. Однослойный диск Blu-ray (BD) может хранить 23,3, 25, 27,0 или 33 Гб, двухслойный диск может вместить 46,6, 50, или 54 Гб. Также в разработке находятся диски вместимостью 100 Гб и 200 Гб с использованием

соответственно четырёх и шести слоёв. Корпорация TDK уже анонсировала прототип четырёхслойного диска объёмом 100 Гб[2] [3].

	Физический		Однослойная		Двухслойная
	размер		вместимость		вместимость
	120 мм		23.3/25/27 Гб		46.6/50/54 Гб
	80 мм		7.8 Гб		15.6 Гб
			Флэш-память

Флеш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти.

Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно лишь ограниченное число раз (обычно около 10 тысяч раз). Не содержит подвижных частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Стримеры

Стримеры - это накопители на магнитных лентах, которые в настоящее время используются, в основном, как средство резервного копирования данных. Но зато кассету с пленкой, содержащей эти данные, можно хранить как угодно долго.

Устройства связи и передачи информации

Модемы

Модем (аббревиатура, составленная из слов модулятор-демодулятор) — устройство, применяющееся в системах связи и выполняющее функцию модуляции и демодуляции. Модулятор изменяет характеристики несущего сигнала в соответствии с изменениями входного информационного сигнала, демодулятор осуществляет обратный процесс.

10