1. Введение. Понятие информации, общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации.

   Компьютер как универсальное средство обработки информации.

   Возможности и области применения ЭВМ

Информатика это наука, связанная с:

• разработкой вычислительных машин и систем;

• разработкой математических моделей естествознания и общественных явлений;

• разработкой алгоритмов решения задач управления, расчета и анализа математических моделей;

• программированием алгоритмов, создание программного обеспечения ЭВМ.

Термин информация имеет множество определений. Информация – это отражение реального мира с помощью сведений (сообщений).

В информатике информация – это любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. С практической точки зрения информация представляется в виде сообщения. Информационное сообщение связано с источником сообщения, получателем сообщения и каналом связи. Сообщение – это материально-энергетическая форма представления информации в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц, электрических сигналов и т.п.

Таким образом, информационное сообщение х(t) характеризует изменение во времени материально-энергетических параметров физической среды, в которой проходят информационные процессы. Функция х(t) может быть непрерывна, то есть, имеет место непрерывная или аналоговая информация, или дискретна (звуковая инф., цифровая).

В настоящее время информация обрабатывается на вычислительных машинах.

Компьютер – это устройство преобразования информации посредством выполнения управляемой программой последовательности операций. Синоним вычислительная машина (ВМ). В зависимости от вида обрабатываемой информации ВМ может быть аналоговой или цифровой. В настоящее время наибольшее распространение получили цифровые ВМ - ЭВМ.

Данные – это информация, представленная в виде, позволяющем ее хранить и обрабатывать техническими средствами. Для представления дискретной информации в ЭВМ применяется алфавитный способ. Алфавит – это упорядоченность знаков, предназначенная для образования и передачи сообщений. Символы из набора алфавита называются буквами, а последовательность букв – словом. Так как все процессы, происходящие в ЭВМ, связаны с различными физическими носителями этой информации, то возникает потребность в кодировании - представлять буквы одного алфавита посредством букв другого. Процесс обратного преобразования информации относительно ранее выполненного называется декодированием.

Современные системы сбора информации обеспечивают ее кодирование ввод в ЭВМ и выполняют предварительную обработку этой информации. Сбор информации –это процесс получения информации из внешнего мира и приведение ее к виду, стандартному для данной информации.

Обмен информацией между воспринимающей системой (ЭВМ) и окружающей средой осуществляется посредством сигналов. На первом этапе первичный сигнал с помощью датчика преобразуется в электрический сигнал. На втором этапе происходит его оцифровка с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. Второй этап необязателен. Например, клавиатура не имеет АЦП (нажатие клавиш непосредственно преобразуется в цифровой код).

На третьем этапе происходит ее размещение на различных физических носителях (магнитных, оптических, магнитооптических, полупроводниковых и т. п.). При этом необходимо обеспечить удобство хранения, поиска, манипулирования записанных данных. Для этого каждый элемент должен строго идентифицироваться.

Чтобы учесть особенности информации, ввиду ее разнообразия по содержанию и виду, ее изучаются в процессе синтаксического, семантического и прагматического анализа.

Синтаксический анализ – устанавливает важнейшие параметры информационных потоков: тип носителя, скорость передачи, скорость обработки, размеры кодов представления информации, надежность и точность представления этих кодов. Данные параметры позволяют выбрать технические средства для регистрации, обработки, передачи и хранения информации.

Синтаксическая мера информации:

а) объем данных V_D – количество символов (разрядов) в сообщении;

б) количество информации I – измеряется изменением неопределенности состояния системы:

,

где - первоначальная энтропия системы(неопределенность состояния),- энтропия системыпосле получения сообщения,- количество информации полученной в сообщении;

в) коэффициент информативности: .

Семантический анализ – изучает информацию с точки зрения содержания ее отдельных элементов и устанавливает способы языкового соответствия при однозначном распознавании вводимых в систему сообщений (соответствие между образом объекта и объектом).

Семантическая мера информации:

,

где С – коэффициент содержательности.

Прагматический анализ – проводится с целью определения полезности информации, используемой для управления, выявления практической значимости сообщений, применяемых для выработки управленческих воздействий. Для прагматического анализа важными критериями являются оценки достоверности и своевременности информации.

Прагматическая мера носит относительный характер и измеряется в тех же единицах что и целевая функция.

Необходимость передачи информации для различных объектов обуславливается различными причинами, например как необходимостью донести ее до получателя, так территориальной отдаленностью сбора и регистрации информации от ее обработки. Взаимодействие между территориально отдаленными объектами осуществляется за счет обмена данными. Доставка данных производится по заданному адресу с помощью сетей передачи данных. В настоящее время для распределенной обработки информации используются информационно вычислительные сети (ИВС), которые являются частью автоматизированной технологии процессов ввода, передачи, обработки и выдачи информации.

Важнейшим звеном ИВС является канал связи. Элементы данных по непрерывному каналу связи передаются в виде физических сигналов. Так как ЭВМ работает с дискретной информацией, то на концах непрерывного канала связи находятся модуляторы/демодуляторы. Так же для повышения достоверности передаваемых/получаемых данных на входном конце может быть устройство подготовки данных, а на выходном устройство повышения достоверности данных.

Обработка информации

Обработка информации осуществляется последовательно-параллельным во времени решением вычислительных задач. Организация обработки информации может осуществляться централизованным, децентрализованным и смешанным способами.

При централизованном способе информация вводится с различных терминалов (клавиатур, дисплеев, датчиков, рабочих станций, ПК), а обрабатывается одним центральным ЭВМ (например, системы заказов авиабилетов, оплаты коммунальных платежей). Децентрализованном способом информация обрабатывается в автономных пунктах ее регистрации и потребления (автоматизированные ПК рабочие места, абонентские пункты). При смешанном способе часть информации обрабатывается автономно, а часть централизовано, при этом может иметь место иерархия доступа к данным.

Так же различают режимы взаимодействия с пользователем при обработки информации: пакетный и интерактивный (запросный, диалоговый) режимы.

Пакетный режим. Пользователь подготавливает данные для обработки, программные средства, справочные данные и т.п. Пакет вводится в ЭВМ. Дальше процесс происходит без участия оператора (пользователя), который получает готовый результат на выходе.

Интерактивный режим предусматривает взаимодействие пользователя (оператора) и ЭВМ в запросном или диалоговом режиме. Запросный режим используется для доступа через значительное количество терминальных устройств или при большом удалении от центра обработки. ЭВМ при этом работает в режиме разделения времени, осуществляя доступ для нескольких независимых абонентов.

Диалоговый режим предусматривает непосредственное взаимодействие с ЭВМ, многократно реализуя циклы задания, получения и анализа ответов. При этом ЭВМ может сама инициировать диалог.

1.2 Представление информации в эвм

В компьютерах используется двоичная система счисления, которая основана на двух цифрах, «0» и «1». Это объясняется тем, что электронные элементы, из которых состоит оперативная память, могут находиться, только в одном из двух устойчивых состояний («0» или «1»). Информация любого типа может быть закодирована с использованием двух цифр и помещена в оперативную или долговременную память компьютера. Впервые принцип двоичного счисления был сформулирован в 17 веке немецким математиком Готфридом Лейбницем.

Количество информации, которое может помещаться в один элемент памяти («0» или «1»), называется битом (сокращение словосочетания «двоичная цифра» binary digit -bit) и не несет никакой смысловой нагрузки. Однако если соединить несколько таких элементов в ячейку, то тогда можно сохранить требуемую информацию в памяти ЭВМ. Таким образом, машинное слово – это последовательность битов, рассматриваемых аппаратной частью ЭВМ как единое целое.

Системы счислений

Позиционные системы счислений. Для представления чисел в настоящее время используются позиционные системы счислений, в которых значение каждой цифры (ее вес) изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности цифр, изображающих число.

Запись числа Х в произвольной К-ичной системе основывается на представлении этого числа в виде полинома:

,

где а_i – одно из базисных чисел и изображается одной цифрой, К – основание системы счисления.

Двоичная система счислений. Для обозначения двоичных цифр применяется термин бит - сокращение словосочетания «двоичная цифра» (binary digit - bit).

Число Х в двоичной системе представляется в виде:

,

где а_i – 0 или 1.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	0,5	0,25
12	102	112	1002	1012	1102	1112	10002	10012	10102	0.12	0.012

Восьмеричная система счислений.

Для передачи и хранения информации применяют 8-битовые коды - байты (byte).

Восьмеричная система – базисные числа 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Число 83,5 будет записано в восьмеричной системе как:

.

Существует 2⁸=256 восьмибитовых чисел. Информация, содержащаяся в одном байте, обычно достаточна для представления одной буквы алфавита или 2 десятичных цифр. Этого достаточно для кодирования всех заглавных и строчных букв алфавита, цифр, знаков препинания, символов национальных алфавитов, других необходимых символов и служебных кодов, используемых при передаче информации.

Таблица кодирования символов 8-битовыми числами называется ASCII -American Standard Code for Information Interchange (латиница). Первая, или «нижняя», половина таблицы ASCII (коды 0-126) содержит знаки препинания, арабские цифры и символы английского алфавита. Она является общепринятой во всем мире. В каждой стране используется своя «верхняя» половина таблицы ASCII (коды 127-255, или «расширенные» ASCII-коды), в которой находятся буквы национальных алфавитов и специальные символы.

Для поддержки русского алфавита применяют три основных варианта таблицы кодировок символов - кодовую таблицу 866 для операционной системы MS-DOS и кодовую таблицу 1251 для операционной системы Windows и KOI-8. Русские буквы в этих кодировках расположены на совершенно разных позициях.

В основе измерения больших объемов информации лежит байт. Более крупные единицы измерения: килобайт (1 Кбайт = 2¹⁰ байт = 1024 байта), мегабайт (1 Мбайт = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт = 1048576 байт), гигабайт (1 Гбайт = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт = 1073741824 байт). Современные носители информации имеют емкость до нескольких терабайт.

Для работы с большими числами используются слова - 16-битовые числа, и двойные слова - 32-битовые числа.

Шестнадцатеричная система счислений. Для обозначения адресов расположения данных в памяти компьютера и других целей удобнее пользоваться не двоичным и не десятичным, а шестнадцатеричным представлением чисел. «Цифры» от 10 до 15 в шестнадцатеричной системе изображаются символами от a до f. Двух байтов достаточно, чтобы сформировать единую кодировку для всех современных алфавитов и основных подмножеств иероглифики, такая кодировка называется Unicode.

При написании шестнадцатеричных чисел используют суффикс «h».

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	a	b	c	d	e	f
0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010	1011	1100	1101	1110	1111

.

Смешанные системы счислений. Двоично-десятичная система.

Для представления в ЭВМ десятичных чисел с помощью двоичных используется смешанные системы счислений, в которых Р-ичное разложения числа записывается в Q-ичной системе. Такая система называется (Q-P) – ичной, в ней Р- старшее основание, Q- младшее основание. Для того чтобы запись в такой системе была однозначной, для представления Р-ичной цифры отводится одно и тоже количество Q-ичных разрядов, достаточное для представления любого базисного числа Р-ичной системы.

В двоично-десятичной системе десятичные числа могут быть представлены в упакованном формате - для изображения каждой десятичной цифры отводится четыре двоичных разряда (полбайта).

845₁₀= 8 4 5 =1000 0100 0101_2-10.

Знак кодируется (1100 – «+», 1101 – «-»). В общем виде, структура поля упакованного формата под число представлено:

цифра

цифра

…

цифра

знак

845= 8 4 5 =1000 0100 0101 1100_{знак +.}

Распакованный формат – для каждой десятичной цифры отводится по байту. Полбайта – зона (0011 – для ASCII – кода) полбайта цифра. Для самого младшего на месте зоны располагается знак.

845	зона	цифра	зона	цифра	знак	цифра
	0011	1000	0011	0100	1100	0101

Представление числа в формате с фиксированной запятой (точкой).

При представлении любого числа в формате с фиксированной запятой (точкой), число записывается в разрядную сетку в виде:

,

где m- число разрядов до запятой, s - число разрядов после запятой.

В ЭВМ числа с фиксированной запятой могут занимать слово (2 байта) или полуслово (байт). Если число с фиксированной запятой занимает байт, то для его представления используются разряды с 0-го по 6-й. Разряд 7 используется для знака. При размещении числа с фиксированной запятой в слове используются разряды с 0-го по 14-й. Разряд 15 используется для знака. Значение знакового разряда: 0 – для положительных, 1 – для отрицательных.

Пример

	Знак	Абсолютная величина числа
N	15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
-193	1	0	0	0	0	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	1

Диапазон представления чисел в формате с фиксированной запятой: для байта от до, для слова отдо.

Представление числа в формате с плавающей запятой (точкой).

,

где m- мантисса () ,р- порядок числа.

Если после запятой в мантиссе первым не стоит ноль, то число называется нормализованным справа.

Нормализованное число одинарной точности записывается в память в виде двойного слова следующим образом: знак (0, 1) - 31 разряд 15 бита первого слова, порядок 24-30 разряд 7-14 бита первого слова, мантисса остальные 23 бита в двух словах. Нормализованное число двойной точности занимает четыре слова, для мантиссы отводится 55 бит.

Пример

	знак		порядок							мантисса
N	31	30		29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16	…	1	0
-193	1	0		0	0	1	0	0	0	1	1	0	0	0	0	0	1	0	0	0

Порядок числа в формате с плавающей запятой изменяется в диапазоне от до.

При сложении чисел представленных в формате с плавающей запятой сначала уравнивают порядки слагаемых. При умножении (делении) порядки складываются (вычитаются), а мантиссы умножаются (делятся). После выполнения операции проводят нормализацию результата. Поэтому запись числа в таком формате называется с «плавающей запятой».