Информатика_Ч1

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Информационные технологии и защита информации»

А. В. Кибардин

ИНФОРМАТИКА

Учебно методическое пособие в двух частях

Часть 1

Основы информатики

для студентов направления 221000 – «Мехатроника и робототехника» профилей подготовки

«Проектирование и конструирование мехатронных модулей

имеханизмов роботов» и «Мехатронные системы

вавтоматизированном производстве»

всех форм обучения

Екатеринбург Издательство УрГУПС 2013

УДК 004.43 (075.8) К38

Кибардин, А. В.

К38 Информатика. В 2 ч. Ч. 1. Основы информатики : учеб.-метод. пособие /А. В. Кибардин. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2013. – 155, [1] с.

Пособие предназначено для изучения основ информатики. Ориентировано на студентов специальности 221000 – «Мехатро-

ника и робототехника», а также на студентов, аспирантов, слушателей ФПК и подготовительного отделения, обучающихся основам современных информационных технологий.

УДК 004.43 (075.8)

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета

Автор: А. В. Кибардин, доцент кафедры «Информационные технологии и защита информации», канд. физ.-мат. наук, УрГУПС

Рецензенты: Г. Б. Смирнов, профессор кафедры «Вычислительная техника», д-р техн. наук, УрФУ им. Первого Президента России Б. Н. Ельцина,

Гадельшин М. Ш., доцент кафедры «Информационные технологии и защита информации», канд. физ.-мат. наук, УрГУПС

©Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие.......................................................................................	5
Глава 1. Введение в информатику .....................................................	6

1.1.Определение информатики. Понятие информации и информационной технологии. Формула Шеннона.

	Предмет и задачи информатики .........................................	6
1.2. Техническая база информатики ........................................		10
1.3. Программное обеспечение информатики..........................		25
Глава 2.	Математические основы информатики .............................	29
2.1. Теория формальных структур данных и алгоритмов
	их обработки.......................................................................	29
2.2. Системы счисления.............................................................		37
2.3. Способы разработки алгоритмов........................................		44
Глава 3.	Персональные ЭВМ............................................................	46
3.1.	Из истории создания персональных компьютеров............	46
3.2.	Структура ПЭВМ ................................................................	47
3.3.	Внешние устройства ПЭВМ ...............................................	49
Глава 4.	Работа пользователя в операционной системе Windows:
	начальные сведения ............................................................	53
4.1. Введение в Windows.............................................................		53
4.2. Загрузка Windows.................................................................		54
4.3. Операции с папками и файлами.........................................		62
4.4. Стандартные программы Windows .....................................		67
4.5. Завершение работы в Windows............................................		68

3

Глава 5.	Компьютерные сети ............................................................	69
5.1.	Локальные вычислительные сети .......................................	69
5.2.	Глобальные вычислительные сети. Сеть Internet...............	75
Глава 6.	Компьютерное моделирование в научно-технических
	исследованиях .....................................................................	84
6.1. Роль эксперимента в физических исследованиях.
	Виды экспериментальных исследований..........................	84
6.2. Основы теории моделирования..........................................		85
6.3. Математическое моделирование и компьютерный
	эксперимент .......................................................................	89
6.4. Вычислительный алгоритм. Введение в численные
	методы.................................................................................	94
6.5. Технология программирования вычислительных задач..		103
6.6. Точность компьютерного эксперимента..........................		105
6.7. Пример моделирования физической системы.................		108
6.8. Заключение........................................................................		110
Глава 7.	Защита информации .........................................................	112
7.1. Информационная безопасность как часть проблемы
	интегральной безопасности человека..............................	112
7.2. Методы защиты информации: аутентификация .............		117
7.3. Преобразование секретной информации
	(криптография).................................................................	123
7.4. Компьютерная стеганография..........................................		133
7.5. Сжатие (архивация информации) ....................................		135
7.6. Защита от программ-шпионов .........................................		139
7.7. Технические средства защиты информации в ЭВМ........		144
7.8. Защита вычислительных сетей .........................................		147
Библиографический список ...........................................................		154

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебно-методическое пособие представляет собой курс лекций и материалов для выполнения лабораторных работ по информатике, читаемый для технических

специальностей. В первой части учебного пособия дается введение в предмет информатики, рассматриваются составные части дисциплины, техническое и программное обеспечение информатики, математические основы информатики, введение в теорию алгоритмов, а также основы работы пользователя в среде операционной системы Windows. Рассматривается работа в компьютерных сетях и задачи информационной безопасности. Завершается первая часть изучением вопроса компьютерного моделирования в научно-технических исследованиях.

Вторая часть пособия посвящена базовым информационным технологиям, в первую очередь технологиям обработки данных и решения вычислительных задач в различных программных средах, обработки текстовой и графической информации и работы с базами данных.

5

ГЛАВА 1 ВВЕДЕНИЕ В ИНФОРМАТИКУ

1.1.Определение информатики. Понятие информации и информационной технологии. Формула Шеннона. Предмет и задачи информатики

В1948 г. американский математик Норберт Винер объявил о создании новой науки – кибернетики, проблеме искусственного интеллекта, и ввел новую научную категорию – «управление» [1]. Выделение категории «управление» позволило воспользоваться понятием информации и положить в основу кибернетики изучение законов передачи и преобразования информации. Сущность принципа управления заключается в следующем: движение и действие больших масс или передача и преобразование большого количества энергии направляются и контролируются при помощи небольшого количества энергии, несущей информацию. Этот принцип лежит в основе организации и действия любых управляемых систем: автоматических машин, живых организмов, социальных систем. Таким образом, кибернетика – это наука об общих законах

получения, хранения, обработки и передачи информации.

Термин «информация» как научный термин введен Клодом Шенноном – автором теории информации (науки об оптимальном кодировании сообщений и передачи сигналов по каналам связи) в конце 40-х гг. XX в. Шеннон ввел единицу измерения информации – 1 бит (от англ. BInary digiT – двоичная единица).

Каждому сигналу в теории Шеннона приписывается априорная вероятность его появления [2]. Чем меньше вероятность появления сигнала, тем больше информации он несет для потребителя. Этот факт можно выразить следующей формулой (формула Шеннона):

I =−∑n	pj log pj ,	(1.1)
j =1

6

где I – количество полученной информации при передаче сообщения; pj – вероятность появления сигнала с номером j; n – количество возможных сигналов.

Рассмотрим несколько случаев передачи сигналов. Пусть в системе возможно только одно событие. Свяжем с реализацией события сигнал. Тогда n = 1 и количество полученной информации I = 0. Если n = 2 и p1 = p2 = 1/2 , то

I = – (1/2) log (1/2) – (1/2) log(1/2).

Вслучае двоичных логарифмов I = 1 – это значение и принято

вкачестве единицы измерения информации «бит».

Отметим, что данное определение информации не содержит семантического, т. е. смыслового, содержания сообщения. К понятию информации и возможным подходам к определению информации мы вернемся во второй части пособия в теме «Информационные технологии», а пока дадим практическое (обыденное) определение информации. Информация – это сведения об окружающем мире, которые являются объектом хранения, передачи и обработки в системе социальных коммуникаций. Отметим, что данное определение информации охватывает все формы социальной деятельности человека: науку, управление, просвещение, производство, сферу mass media.

Термин «информатика» (от фр. Informatique) введен в начале 70-х гг. XX в. французскими специалистами. Американцы используют свой термин – Computer Science – для обозначения науки о способах обработки, накопления и передачи информации в социальной среде. Таким образом, принципиальное отличие информатики от кибернетики в том, что информатика рассматривает информацию только в системе социальных коммуникаций.

Информатика базируется на вычислительной технике. Отсюда три ее составляющие части:

–техническое обеспечение;

–алгоритмическое обеспечение;

–программное обеспечение.

В следующих главах мы дадим общую характеристику технического и программного обеспечения информатики, а пока рассмотрим, какие задачи решает информатика. Чтобы лучше понять предмет и задачи информатики, сравним две науки – кибернетику и информатику.

1. Кибернетика изучает общие законы движения информации. Информатика изучает технологию – т. е. конкретные способы обработки, передачи и использования информации.

7

Кобласти информатики относятся информационные технологи

итолько в социальных системах.

Кибернетика моделирует различные системы, а информатика занимается информационной «начинкой» моделей, технологией их разработки и машинного применения.

Развитие кибернетики связано с передачей функций интеллекта техническим, искусственным устройствам, с воспроизведением функций живых организмов неживыми объектами. Развитие информатики подчинено технологическому использованию вычислительных машин и устройств, превращению «бумажной» информатики в «человеко-машинную».

До середины XX в. человечество располагало лишь производственными технологиями, связанными с преобразованием вещества и энергии. В наше время человечество переживает научно-техническую революцию, материальной основой которой является электронновычислительная техника. На базе этой техники появился новый вид технологий – информационные технологии. К ним относятся процессы, в которых основой, сырьем переработки и выдаваемой продукцией является информация. Конечно, переработка информации связана с определенными материальными носителями и, следовательно, эти процессы включают также переработку вещества и преобразование энергии, но главную роль здесь играет информация.

Как известно, информационные технологии возникают не сами по себе, а в результате технологизации того или иного процесса. Настоящий период развития общества можно определить как период информационного кризиса. Количество информации, производимое в обществе, удваивается каждые 8–12 лет. Известный советский ученый И. Шкловский утверждал еще в 70-е гг. XX в., что нашей цивилизации грозит перепроизводство информации, которое может парализовать общественную и экономическую жизнь – такую ситуацию он назвал «информационным коллапсом» по аналогии с процессом схлапывания звезд.

Ежегодно в мире публикуются сотни тысяч книг, миллионы статей, отчетов, инструктивных указаний и пр. По данным ЮНЕСКО мировой фонд научных изданий превышает 200 миллионов. За последние 70 лет в мире накоплено более 20 миллионов патентов.

В работе [5] приводятся материалы из статьи английского физика Херрингса, анализирующего объемы научных публикаций в различные периоды (рис.1).

Из графиков, представленных Херрингсом, видно, что в 1937 г. специалист в определенной области науки в состоянии был прочитать всю

8

мировую литературу, публикуемую в этой области, а к 1967 г. он мог прочитать только малую часть всех публикаций. Причем физическая невозможность прочитать всю публикуемую в данной области литературу – не единственная проблема, которая возникает в области обработки информации. Существует большое число факторов, делающих эту проблему еще более острой [5]. Среди них межъязыковые факторы, проявляющие себя в том, что в потоке мировой научно-технической литературы все более увеличивается доля публикаций на таких языках, которыми не владеет подавляющее большинство ученых и специалистов, например на итальянском, чешском, датском, хинди и др.

Количество

информации

1967 г.

1967 г.

1937 г.

1937 г.

То, что ученый может	То, что опубликованно
прочитать	в данной области науки

Рис. 1. Анализ объемов публикаций за различные периоды времени

Не меньшим негативным характером обладают внутриязыковые факторы, т. е. терминологические. В результате специализации терминологии специалисты разных отраслей науки и техники все в меньшей степени понимают друг друга, причем не только специалисты разных отраслей, но и специалисты, работающие в близких, смежных областях науки.

Существуют факторы, которые можно назвать надъязыковыми, усложняющие коммуникацию между учеными, занимающимися разработкой фундаментальных проблем, и специалистами, решающими прикладные задачи. Создание принципиально новых устройств

9

и технологий требует углубленного проникновения в фундаментальные области знания. Этот процесс порождает концепции, которые значительная часть инженеров не в состоянии подчас понять и преломить в своей практической работе.

Следующая группа факторов, препятствующих движению информации, – это социально-экономические. К ним следует отнести политические, экономические, бюрократические факторы.

Немаловажное значение имеют и факторы психологические, то, что Энгельс называл «барьерным сознанием» – когда «человек ищет только то, о чем он думает, что оно существует и что ему нужно» [5].

Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно так определить главную функцию информатики: обоснование средств и методов технологизации информационно-коммуникативных процессов, т.е. их качественная перестройка на базе вычислительной техники, математического моделирования, программного управления.

1.2. Техническая база информатики

Из истории создания и развития ЭВМ

Механические средства для вычислений были известны еще в далеком прошлом. Одно из самых древних вычислительных средств – счеты – использовалось древними египтянами и китайцами. Подобные устройства применялись для механизации счета и хранения текущего результата. В качестве устройств постоянной памяти выступали дощечки из глины, бумага. Отсутствовала механизация управления последовательностями операций.

Чарльз Беббидж (1792–1871), английский физик и астроном, первый сформулировал идею создания универсальной вычислительной машины (аналитическая машина Беббиджа). Его прежде всего интересовало повышение точности астрономических расчетов. Беббидж разработал детальный проект машины, однако так и не завершил его,

втом числе и по финансовым причинам.

В1937 г. английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу с описанием универсальной схемы вычислений. Его результаты были представлены в терминах гипотетической машины, названной «универсальной машиной Тьюринга». Эта теоретическая разработка привлекла внимание большого числа специалистов к вопросу создания универсальной вычислительной машины.

10