Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Информатика_Гуда

.pdf
Скачиваний:
76
Добавлен:
02.06.2015
Размер:
26.2 Mб
Скачать

ИНФОРМАТИКА

Î Á Ù È É Ê Ó Ð Ñ

Под общей редакцией академика РАН, доктора технических наук

профессора В.И. Колесникова

Допущено Учебно!методическим объединением по образованию в области прикладной информатики в качестве учебника

для студентов высших учебных заведений

Ростов на Дону

2006

ÓÄÊ 681.3(07) + 06 ÁÁÊ

à 93

Рецензенты:

кафедра «Прикладная информатика» ТРТУ (заведующий кафедрой — академик РАЕН,

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Л.С. Берштейн) Заведующая кафедрой «Прикладная информатика» РТУ доктор экономических наук, профессор Л.Г. Матвеева

Руководитель авторского коллектива

доктор технических наук, профессор А.Н. Гуда

Ãóäà À.Í.

à 93 Информатика. Общий курс / А.Н. Гуда, М.А. Бутакова, Н.М.Нечитайло,А.В. Чернов; подред.академикаРАНВ.И.Колесникова. — Ростов н/Д: Наука-Пресс, 2006. — 400 с.

Учебник предназначен для изучения курсов «Информатика», «Информатика и программирование» в высших учебных заведениях. Содержание учебника соответствует установленным Министерством образования и науки России дидактическим единицам стандартов высшего профессионального образования.

Рассмотрены основные понятия информатики, аппаратное устройство компьютеров и их программное обеспечение, вопросы функционирования операционных систем и компьютерных сетей, аспекты информационной безопасности. Значительное внимание уделено приобретению практических навыков работы с пакетом офисных программ, а также изучению принципов разработки алгоритмов и программ.

Для студентов вузов.

ISBN

ÓÄÊ 681.3(07) + 06

 

ÁÁÊ

 

© А.Н. Гуда, М.А. Бутакова,

 

Н.М. Нечитайло, А.В. Чернов, 2006

 

© «Наука-Пресс», 2006

ПРЕДИСЛОВИЕ

Приступая к написанию учебника, авторы осознавали, что информатика является, пожалуй, наиболее интенсивно и динамично развивающейся отраслью знаний. Информатике посвящено множество учебников, учебно-методических пособий, сайтов в сети Internet. Тем не менее авторы, имеющие немалый опыт чтения курсов лекций по информатике в ведущих технических вузах Южного федерального округа, постарались, с одной стороны, изложить материал в соответствии с государственными образовательными стандартами большинства направлений высшего профессионального образования. С другой стороны, хотелось, чтобы учебник помог читателю приобрести достаточные знания и навыки для дальнейшего освоения информационных технологий.

Реалии нашей жизни таковы, что при преподавании информатики даже самый опытный лектор не сможет охватить все области ее применения. Материал, представленный в учебнике, отражает лишь основные разделы дисциплины и является необходимым минимумом, соответствующим дидактическим единицам образовательных стандартов. Авторы постарались, выдержав логическую последовательность изложения дисциплины, сделать тем не менее главы учебника по возможности автономными,чтобычитательмогприжеланииболееглубокоосвоитьотдельные разделы в зависимости от конкретных задач, стоящих перед ним.

Изучение любой дисциплины традиционно начинается с определения ее предметной области, введения основных понятий, исторических сведений. Первая глава учебника посвящена обсуждению предмета, задач информатикииеефундаментальныхпонятий.

Зарождение информатики как научной дисциплины непосредственно связано с появлением и развитием средств вычислительной техники, среди которых центральное место занимают сейчас персональные компьютеры. Вторая глава учебника познакомит читателя с устройством и основными принципами работы компьютера, функционированием периферийных устройств. В конце главы дается обзор наиболее популярных программных продуктов, который позволит пользователю сориентироваться в огромном количестве существующего программного обеспечения.

Как правило, современный пользователь персонального компьютера может самостоятельно освоить графический интерфейс операционнойсистемы,котораяявляетсянеотъемлемойчастьюпрограммногообес-

Информатика

печения. В третьей главе авторы сконцентрировали внимание на внутреннем устройстве операционных систем семейства Microsoft Windows, знание которого придаст уверенности при установке, настройке и эксплуатации программного обеспечения. Не в последнюю очередь возникает вопрос о востребованности специалистов со знанием операционных систем семейства Unix, поэтому авторы сочли необходимым вклю- чить краткие сведения по этому вопросу.

Не будет преувеличением сказать, что пользователь компьютера не сможет обойтись без офисного программного обеспечения. Последовательно выполнив рекомендации, изложенные в четвертой главе, читатель приобретет практические навыки эффективного использования популярнейшего пакета программ Microsoft Office.

Деятельность любого современного предприятия связана со сбором, хранением и обработкой собственных банков данных. О том, какие теоретические принципы лежат в их создании, расскажет пятая глава, которая послужит читателю кратким экскурсом в теорию реляционных баз данных.

В настоящее время наблюдается тенденция интегрирования языков программирования в пакеты быстрой визуальной разработки программ, но следует заметить, что в каком бы внешнем виде они не представлялись программисту, в их основе всегда лежат базовые структуры и алгоритмы. Значение «чистого» языка программирования по сей день не утрачено, поэтому изучению этого вопроса посвящено достаточно внимания в шестой главе. На наш взгляд, первичным является понимание логики программирования, а форма внешнего представления среды разработки программ вторична и не потребует значительных усилий для изучения. Здесь авторы не отошли от традиционной точки зрения большинства преподавателей информатики в том, что начинать изучение программирования удобно на примере языка Паскаль. Для читателей, желающий освоить визуальный способ разработки приложений для Microsoft Windows, в конце главы даны начальные сведения по программированию в среде Visual Basic for Application.

Современное информационное общество стало таковым благодаря появлению и развитию компьютерных сетей. Подробное описание всех существующих сетевых технологий является задачей, далеко выходящей за рамки главы учебника по информатике. В седьмой главе рассматриваются общие принципы построения компьютерных сетей и основы Internet-технологий.

Заключительная, восьмая глава посвящена актуальной, уже выделившейся в самостоятельное научное направление, задаче информационной безопасности.

4

ГЛАВА 1

Глава 1. Предмет и задачи информатики

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ ИНФОРМАТИКИ

1.1. Основные понятия информатики

KИнформатика — это наука, изучающая структуру и наиболее общие свойства информации, е¸ поиск, хранение, передачу и обработку с применением ЭВМ.

Термин «информатика» происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика). Широкое распространение получил также англоязычный вариант этого термина — «computer science», что означает буквально «компьютерная наука».

Объектами изучения информатики являются технические, программные и алгоритмические средства. Технические средства представляют собой аппаратуру компьютеров, в английском языке они обозначаются словом hardware. Для обозначения программных средств, под которыми понимается совокупность всех программ, используемых компьютерами, и область деятельности по их разработке и применению, используется слово software, которое подчеркивает способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться и развиваться. Программированию задачи всегда предшествует разработка алгоритма ее решения в виде последовательности действий, ведущих от исходных данных к искомому результату. Для обозначения части информатики, связанной с разработкой алгоритмов и изучением методов и приемов их построения, применяют термин brainware (от англ. brain — интеллект).

Основная цель исследований в области информатики состоит в разработке способов решения задач информационной обработки на компьютерах, а также в разработке, модернизации, организации и эксплуатации вычислительных систем. Кроме того, достижения этой «компьютерной науки» имеют практически неограниченный спектр применения в прикладных областях. Вот лишь некоторые научные направления, использующие методы и средства информатики:

математическое и имитационное моделирование, методы вычислительного эксперимента и их применение к фундаментальным и прикладным исследованиям в различных областях знаний;

5

Информатика

искусственный интеллект — раздел информатики, изучающий алгоритмическую реализацию человеческих способов решения задач. Иными словами, в рамках искусственного интеллекта изу- чают способы решения компьютером задач, не имеющих явного алгоритмического решения;

биоинформатика, изучающая информационные процессы в биологических системах;

социальная информатика, изучающая процессы информатизации общества;

машинная графика, анимация, средства мультимедиа;

системы автоматизированного проектирования;

телекоммуникационные системы и сети, в том числе, глобальные компьютерные сети;

разнообразные приложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Формирование моделей информатики нацелено на представление определенныхструктур,взаимодействийипроцессоввкакой-либооблас- ти применения (предметной области) с помощью формальных средств — таких как структуры данных, языки программирования или логические формулы.

Центральным понятием информатики является информация. Этот термин происходит от латинского слова «informatio», что означает сведения, разъяснения, изложение. Несмотря на широкое распространение этоготермина,понятиеинформацииявляетсяоднимизсамыхдискуссионных в науке. В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности,присущиемногогранномупонятиюинформация,нопока оно во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в различных отраслях человеческой деятельности:

в обиходе информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют, например, сообщение о какихлибо событиях, о чьей-либо деятельности и т. п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное

раньше»;

в технике под информацией понимают сообщения, передаваемые в форме знаков или сигналов;

в кибернетике под информацией понимает ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, то есть в целях сохранения, совершенствования, развития системы (Н. Винер).

6

Глава 1. Предмет и задачи информатики

Клод Шеннон, американский уч¸ный, заложивший основы теории информации —науки, изучающей процессы, связанные с передачей, при- ¸мом, преобразованием и хранением информации, — рассматривает информацию как снятую неопределенность наших знаний о чем-либо.

Норберт Винер, «отец» кибернетики, сформулировал следующее определение: «Информация — это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств».

Существует еще множество определений.

KПрименительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозна- чений (букв, цифр, закодированных графических образов и звуков и т. п.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде.

Информация может быть представлена в виде: текстов, рисунков, чертежей, фотографий; световых или звуковых сигналов; радиоволн; электрических и нервных импульсов; магнитных записей; хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов и т. д.

Среди основных свойств информации можно выделить следующие: достоверность; полнота; ценность; своевременность; доступность; краткость и др.

Одну и ту же информацию можно представить и передать по-разному (слова, жесты, сигналы, азбука Морзе (точки и тире), изображения и т. д.). В современной вычислительной технике информация чаще всего кодируется с помощью последовательностей сигналов всего двух видов, что определяется реализацией аппаратуры ЭВМ. В основе схемотехники компьютера лежит использование двоичного элемента для хранения данных — триггера, имеющего два устойчивых состояния. Эти состояния обозначают цифрами «0» и «1», а такое кодирование называют двоичным кодированием. В качестве единицы информации принят один бит (от англ. bit — binary digit — двоичная цифра).

Âтеорииинформациибитомназываютколичествоинформации,необходимоедляразличениядвухравновероятныхсообщений.

Âвычислительной технике бит — это наименьшая единица измерения памяти компьютера, необходимая для хранения одного из двух знаков «0» или «1», используемых для внутримашинного представления данных и команд.

С помощью одного бита можно представить всего два понятия, например, «истина» или «ложь», «черное» или «белое». На практике приме-

7

Информатика

няются более крупные единицы. Восемь бит составляют один байт (от англ. BinarY Term). Именно восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256 = 28).

Широко используются также следующие производные единицы информации:

1 килобайт (кбайт) = 1024 байт = 210 áàéò;

1 мегабайт (Мбайт) = 1024 кбайт = 220 áàéò;

1 гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 230 áàéò.

В последнее время в связи с увеличением объ¸мов обрабатываемой информации входят в употребление такие единицы, как:

1 терабайт = 1024 Гбайт = 240 áàéò,

1 петабайт = 1024 Тбайт = 250 áàéò

èеще более крупные: экзабайт, зеттабайт, йоттабайт.

С информатикой, как правило, связывают такие понятия, как информационные процессы, технологии и ресурсы. Информационными процессаминазываютпроцессыпередачи,накопленияиобработкиинформации в общении людей, в живых организмах, технических устройствах и жизни общества. Под обработкой информации в информатике понимают любое преобразование информации из одного вида в другой, производимое построгимформальнымправилам.ОбработкаинформациинаЭВМобыч- но состоит в выполнении огромного числа элементарных технических операций. Технологии накопления, обработки и передачи информации с использованием определенных технических средств (прежде всего ЭВМ) получили название информационных технологий (последние иногда выделяют в отдельную дисциплину применительно к конкретной предметной области). Информационные ресурсы — это идеи человечества и указанияпоихреализации,накопленныевформе,позволяющейвоспроизводить их. Это книги, статьи, патенты, диссертации, научно-исследователь- ская и опытно-конструкторская документация, технические переводы, данные о передовом производственном опыте и др.

Вообще говоря, роль информатики в развитии общества огромна. Появление ЭВМ — универсальной машины для обработки информации означало революцию в области информационных технологий. Эта революция, следующая за революциями в овладении веществом и энергией, затрагивает и коренным образом преобразует не только сферу материального производства, но и интеллектуальную, духовную сферы жизни. Прогрессивное увеличение возможностей компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий приводят к значительным изменениям во всех сферах общества: в производстве, науке, образовании, медицине и т. д.

8

Глава 1. Предмет и задачи информатики

1.2. История развития вычислительной техники

Людям всегда была свойственна потребность в выражении и запоминании информации об окружающем их мире — так появилась устная речь, письменность, книгопечатание, живопись, фотография, радио, телевидение... Начиная с последней трети XX в. стали говорить об «информационном взрыве», называя этими словами бурный рост объемов и потоков информации. Он произошел на фоне традиционных методов обработки информации с помощью бумаги и ручки, что привело к информационному кризису. Возникло противоречие между быстро возрастающими объемами и потокамиинформации,потребностямиобществав ее обработке для повышения уровня производства и жизни и ограниченными возможностями человека, использующего при работе с информацией традиционные средства. Это противоречие стало негативно сказываться на темпах экономического развития и научно-технического прогресса. Начался постепенный переход к информационному обществу, в котором на основе овладения информацией о самых различных процессах и явлениях можно эффективно и оптимально строить любую деятельность. Важно, что в информационном обществе повышается качество не только потребления, но и производства. Человек, использующий новые информационные технологии, имеет гораздо лучшие условия труда, труд становится творческим и интеллектуальным. Важное место в этом процессе заняла новая научная дисциплина — кибернетика — наука об управлении и связи в живом организме, машине, обществе; наука, центральным понятием которой является информация. Кибернетика породила новый системно-информационный взгляд на природу.

В качестве средства для хранения переработки и передачи информации научно-технический прогресс предложил обществу компьютер (элек- тронно-вычислительную машину, ЭВМ). А в качестве критериев развитости информационного общества можно взять три: наличие компьютеров, существование развитого рынка программного обеспечения и функционирование компьютерных информационных сетей. Причем важно наличие таких компьютеров, которые были бы надежны, недороги, с богатыми аппаратными и программными возможностями. Именно к таким компьютерам наиболее приблизились последние модели ЭВМ.

Но вычислительная техника не сразу достигла такого уровня. В ее развитии отмечают предысторию и четыре поколения ЭВМ. Предыстория начинается с глубокой древности, с различных счет, а первая счетная машина появилась лишь в 1642 г. Ее изобрел французский математик, физик, философ и богослов Блез Паскаль. Построенная на основе

9

Информатика

зубчатых колес, она могла суммировать десятичные числа. Все четыре арифметических действия выполняла машина, созданная в 1673 г. немецкимматематикомифилософомГотфридомВильгельмомЛейбницем. Она стала прототипом арифмометров, использовавшихся с 1820 г. до 60-х гг. XX в.

Наряду с устройствами, предназначенными для вычислений, развивались и механизмы для автоматической работы по заданной программе (музыкальные автоматы, шарманки, часы с боем и т. п.). В шарманку, например, помещали диски с расположенными по-разному штырьками — в зависимости от их расположения звучала та или иная мелодия. В ткацком станке Жаккарда узор ткани задавался с помощью дырочек в тонких картонных картах (перфокартах). Для смены узора достаточ- но было по-другому пробить дырочки в перфокарте.

Впервые соединил идею механической арифметической машины Лейбница с идеей программного управления английский математик Чарльз Беббидж в 1822 г. Он разработал проект программно-управляемой счетной машины, названной им «аналитической», которая имела арифмети- ческое устройство, устройства управления, ввода и печати (использовалась десятичная система счисления). В машине была предусмотрена память для хранения 1000 чисел по 50 десятичных знаков; арифметические операции выполнялись в соответствии с программой, записанной на жаккардовых перфокартах. В программе можно было задавать автоматическое повторение группы арифметических операций, а также выполнение группы операций только при определенном условии. К сожалению, этот проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован.

Лишь в 1941 г. ученому Конаду Цузе удалось создать программируемую цифровую счетную машину, причем на основе электромеханических реле, которые могут пребывать в одном из двух устойчивых состояний: «включено» и «выключено». Это технически гораздо проще, чем пытаться реализовать десять различных состояний, то есть опираться на обработкуинформациинаосноведесятичной,анедвоичнойсистемысчисления. Но работы Цузе так и не были опубликованы. B США в 1943 г. на предприятии фирмы IBM американец Говард Эйкен создал первую программно-управляемую аналитическую машину «MAPK-1», позволявшую проводить вычисления в сотни раз быстрее, чем вручную (c помощью арифмометра) и реально использовавшуюся для военных рас- ч¸тов. Однако электромеханические реле работали весьма медленно и недостаточно надежно, поэтому, начиная c 1943 г., в CШA группа специалистов Пенсильванского университета под руководством Джона П.

10