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

инфопособие2011

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
27.02.2016
Размер:
6.34 Mб
Скачать

Информатика

3

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Данное учебное пособие написано на основе лекционного материала по дисциплине «Информатика», читаемого автором на протяжении более 15 лет в Сибирском федеральном университете (ранее в Красноярском государственном техническом университете – КГТУ). Отличие данного пособия от изданного ранее, в 2003 году, в соавторстве с преподавателями КГТУ профессором, доктором технических наук ЧенцовымС.В. и доцентом, кандидатом технических наук Чубарем А.В. в том, весь представленный материал осовременен, из пособия убраны главы, написанные соавторами посвященные информационным системам и технологии разработки программного обеспечения.По-новому изложены главы, написанные в соавторстве и посвященные программным продуктам и предъявляемым к ним требованиям.

Претерпела изменения структура пособия.

Отбор материала выполнен на основе общих требований программы дисциплины «Информатика» для ряда технических специальностей высших учебных заведений, изложенных в государственном образовательном стандарте третьего поколения.

При этом, за рамками пособия остались вопросы подробного рассмотрения и приемы работы с прикладным программным обеспечением, которое использовалось при проведении лабораторных занятий: офисные программы, СУБД, математическое программное обеспечение, а также языки программирования. Эти вопросы требуют, по мнению автора, отдельного рассмотрения при разработке соответствующего методического материала с учетом конкретных специальностей.

Данное издание, в отличие от предыдущего,значительно дополнено иллюстративным материалом.

Пособие состоит из 15 глав. В главе 1 изложены методологические проблемы информатики, задачи, которые решает информатика как научная дисциплина, рассмотрены определения информации и структура информации.

Глава 2 посвящена истории развития вычислительной техники, потому что, именно знание истории позволяет не только понять сегодняшний уровень развития вычислительной техники и информатизации, но и увидеть тенденции будущего этих процессов. Именно поэтому, глава 3, в которой рассказывается о супер-ЭВМ и изложены вопросы, связанные с перспективами развития вычислительной техники, большей частью также посвящена историческому– этапу развития вычислительной техники– электронному. Самому короткому, но самому значимому для нас этапу

4

ВВЕДЕНИЕ

В главе 4 рассматриваются принципы построения, структура и назначение основных блоков машин фон-неймановского типа, к которым относится большинство компьютерной техники сегодня.

Главы 5 и 6 содержат описания, типы, характеристики и классификацию основных составляющих современных ЭВМ – процессоров и запоминающих устройств.

Большинство

пользователей сегодня, имеют представление

только

о дискретной или

цифровой вычислительной технике, но для

решения

большого количества технических задач, задач навигации, и сегодня

широко

используется аналоговая (АВМ) и производная от нее и цифровой техники – гибридная вычислительная техника. Глава 7 рассказывает о том что такое АВМ, приведены сравнительные характеристики дискретной и аналоговой техники. В данной главе также предпринята попытка ответить на вопрос: «Какое устройство сегодня можно называть персональным компьютером?», рассмотрены виды средств коммуникации и информатизации, сферы использования ЭВМ.

Для того чтобы компьютер мог обрабатывать информацию, она должна быть представлена в понятном ему виде или закодирована. В главе 8 рассмотрены системы счисления, используемые для кодирования информации и методы компьютерного кодирования.

Для разработки программного обеспечения и решения вычислительных задач, программисты используют языки программирования. Эволюции этих языков и их разновидностям посвящена глава 9. Кроме языков программирования в современных компьютерах используется программное обеспечение различного назначения, которое потребовало разработки лингвистического обеспечения для общения человека с ЭВМ на различных уровнях.

Насколько бы сложной и большой не была программа, ее алгоритм состоит всего лишь из трех структур – следование, ветвление и цикл, которые описаны в главе 10. Здесь же представлено каноническое определение понятия «алгоритм», рассмотрены свойства, состав и формы представления алгоритмов.

Все программное обеспечение можно разбить на три типа: системное, инструментальное и прикладное. В главе 11рассмотрено какое программное обеспечение относится к тому или другому типу. Разработка программ требует выполнения некоторой последовательности действий – этапов, а чтобы программа удовлетворяла заявленным требованиям, необходим анализ ее функционирования и устранение ошибок до начала ее внедрения в эксплуатацию. Данная глава также содержит определение программного продукта, приведены виды программных продуктов, их классификация, требования, предъявляемые к программным продуктам.

Информатика

5

Неотъемлемой частью программного обеспечения современных компьютеров и других средств информатизации и коммуникации стали в настоящее время операционные системы, подробному рассмотрению которых посвящена глава 12.

Компьютерные сети стали основным средством передачи информации, с их помощью происходит управление предприятиями на всех уровнях от административного до технологического, а глобальные сети, такие как Интернет предоставляют пользователям услуги, о которых писалось полвека назад в фантастических романах. В свою очередь, пользователям Интернет для эффективной работы с его ресурсами, необходимы знания обИнтернете и навыки работы с ним. Этим вопросам посвящены главы 13 и 14.

Новые возможности, открывшиеся перед человеком связанные с информатизацией, повлекли т новые опасности. Знать от чего и как защищать компьютерную информацию, должен каждый современный пользователь. Эти вопросы рассмотрены в последней 15 главе пособия.

Вконце каждой главы приводятся контрольные вопросы и задания, пособие содержит также список использованной при написании пособия литературы.

Всписке литературных источников нет ссылок на электронные ресурсы, которыми автор пользовалась не только при написании данного пособия, но и при подготовке к занятиям на протяжении более 15 лет. Так как этих ресурсов слишком много, то ограничусь лишь упоминанием периодических изданий. Это сайт издательства OSP – http://www.osp.ru/, сайты компьютерных журналов:

«ComputerBild» – http://www.computerbild, «Hard’n’Soft» – http://hardnsoft.ru/,

«Компьютерпресс» – http://www.compress.ru/, «Компьютерра» – http://www.computerra.ru/, а также Интернет-ресурса CitForum – http://citforum.ru/и многих других.

6

Глава1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФОРМАТИКЕ

 

 

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФОРМАТИКЕ

1.1 Информатика как наука

В

настоящее время под ИНФОРМАТИКОЙ понимают различные

по своей

природе

понятия:

научную

дисциплину,

отрасль

народнохозяйственной деятельности, актуальное направление науки, электронную информационную технологию и т.д. Но наиболее часто этот термин используют в двух значениях: как электронную информационную технологию и как научную дисциплину, составляющую теоретическую основу этой технологии.

Информатика как научная дисциплина содержит следующие основополагающие понятия: информация и социальная коммуникация; языки представления информации, в том числе информационно-поисковые, алгоритмические, машинные; информационные процессы сбора, обработки, хранения, поиска и распространения информации, в частности, особое внимание обращено на автоматизацию семантической обработки и поиска информации с помощью вычислительной техники и построение автоматизированных информационных систем, дискуссионные проблемы: (предмет и объект изучения информатики), методы и средства реализации научно-информационной деятельности, а также вопросы практического применения основных методов и средств информатики при создании и эксплуатации автоматизированных систем.

Развитие информатики связано с именами таких ведущих ученых как П. Отле, А. Лафонтен, Н. Винер, К. Шеннон, Л. Бриллюэн, К. Муерс, М. Тауб, Ф. Ланкастер, Дж. Солтон, Д. Прайс, Й. Коблиц, И. Ползович, А. Мерт, Ф. Бауэр, М. Глушков, А.Д. Урсул, А.И. Михайлов, А.И. Черный, Р. С. Гиляревский, А. В. Соколов и др. Своими фундаментальными научными исследованиямии практической деятельностью они положили начало изучению явления информации, анализу проблем социальной коммуникации, информационного поиска, разработке методов и средств механизации и автоматизации информационных процессов. Чрезвычайно широкая область интересов информатики обусловила в дальнейшем различные толкования ее как объекта и предмета изучения, и в настоящее время нет единого общепринятого определения информатики как науки.

Концепция

научной информатики,

разработанная

и признанная

у нас в стране,

сформирована такими

признанными

учеными как

А.И. Михайлов, А.И.Черный, Р.С. Гиляревский трактует информатикукак научную дисциплину, изучающую структуру и общие свойства научной информации, а также закономерности всех процессов научной коммуникации. При этом подчеркивается, что «…информатика - это пока лишь научная дисциплина, а не самостоятельная отрасль науки; информатика изучает

Информатика

7

 

 

структуру и общие свойства научной информации, а не любой информации, и даже не семантической информации; информатика занимается изучением всех процессов научной коммуникации, осуществляемых как по формальным каналам, так и по неформальным каналам; информатика относится к кругу общественных дисциплин, так как она занимается изучением явлений и закономерностей, свойственных лишь человеческому обществу».

Таким образом, объектом изучения научной информатики являются научная информация (логическая структура знания) и закономерности научных коммуникаций, предметом изучения − закономерности научноинформационной деятельности (ее теория, история, методика, организация), которая заключается в сборе, обработке, хранении, поиске и распространении научно-технической информации.

Автоматизация

процессов общественной коммуникации

потребовала

от представителей

этой концепции уточнения предмета

и объекта

информатики. В частности, В.И. Горькова (ВИНИТИ) предложила считать информатику отраслью науки, изучающей процессы сбора, передачи, переработки, хранения, поиска, распространения и использования научной информации и разрабатывающей методы и средства реализации этих процессов с помощью информационной техники в целях повышения эффективности системы общественной коммуникации.

Наиболее актуальные проблемы, изучением которых занимается научная информатика следующие: семиотические (семиотика− наука, изучающая общие свойства знаков и знаковых систем); свойства и закономерности документальных информационных потоков, автоматизация семантической (смысловой) обработки информации (автоматизация реферирования, индексирования, перевода); автоматизация информационного поиска на базе современной вычислительной техники.

В последние годы в связи с быстрым совершенствованием ЭВМ, увеличением их быстродействия объемов внешней оперативной памяти, их миниатюризацией и снижением стоимости они все шире применяются во всех процессах переработки информации. Это породило представление о том, что именно прогресс в вычислительной технике является определяющим для развития всей сферы научной или социальной информатики. Не случайно под информатикой стали понимать совокупность научных дисциплин и средств обработки информации с помощью вычислительных машин, а также сферу применения вычислительной техники в различных областях человеческой деятельности.

Так академик Ершов А.П. определял информатику как отрасль науки, изучающей процессы сбора, передачи, переработки, хранения, поиска, распространения и использования научной информации, изучающую процессы

8

Глава1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФОРМАТИКЕ

 

 

передачи и обработки информации на ЭВМ. В сферу изучения информатики в этом случае входят алгоритмические языки и программирование. Академик Е.П. Велихов характеризует информатику как отрасль народного хозяйства, включающую вычислительную технику и электронную промышленность. Академик С. Михалевич представляет информатику как комплексную научную и инженерную дисциплину, изучающую все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки функционирования машинизированных систем. Академик А.А. Дороницын определяет информатику как слугу других наук, которая не занимается изучением созданием конкретных материальных объектов, а снабжает методами исследования другие предметные области (диагностирование, прогнозирование, моделирование) и имеет предметом изучения три неразрывно и существенно связанные части - технические средства (в первую очередь вычислительную технику ), программные и алгоритмические. Вышеприведенные точки зрения можно свести к концепции

прикладной (технической) информатики. В рамках этой концепции сам термин «информатика» понимается двояко: как наука, изучающая процессы передачи и обработки информации в системах технической коммуникации, и как «сумма технологий», объединяющая материально-технические средства в виде ЭВМ, устройств и техники связи, программное обеспечение и математические методы.

Подводя итог вышесказанному, следует согласиться со всеми учеными, пытающимися определить место информатики среди наук и, с современной точки зрения, информатику можно рассматривать и как науку, и как прикладную дисциплину, и как отрасль народного хозяйства.

Информатику можно отнести к классу фундаментальных наук, потому что законы обработки информации едины в общественных, биологических и инженерных системах.

Информатику можно отнести к прикладным дисциплинам, потому что в ее состав входят: разработка методов и правил рационального проектирования устройств и систем обработки информации; технологии использования этих устройств и систем для решения научных и практических задач; методов взаимодействия человека с этими устройствами и системами.

Информатику можно рассматривать и как отрасль народного хозяйства, ответственную за производство технических средств обработки и передачи информации, обработку информации и производство программных средств и систем.

Информатика

9

 

 

1.2 Определения информации

Термин «информация» происходит от латинского informatio, что означает изложение, разъяснение. В обыденной жизни под этим словом понимают сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим образом. Большинство научных дисциплин использует этот термин, хотя каждая из них вкладывает в него свое содержание.

Первое понятие информации дали журналисты и филологи в 20-30-е годы XX столетия как новости, сообщения, своеобразного газетного жанра, с помощью которого человек получает различного рода сведения, Более строгая трактовка термина «информация» связана с возникновением двух новых дисциплин – математической (статистической) теории информации и кибернетики.

В математической теории информации американского инженера и математика Клода Шеннона (1948), первоначально разрабатывавшейся применительно к случайным процессам и явлениям, для которых характерна неопределенность исхода (да?, нет?), под информацией понимались не любые сведения, а лишь те, которые снимают полностью или уменьшают существующую до их получения неопределенность. Итак, по теории Шеннона,

информация – это снятая неопределенность.

Неопределенность существует тогда, когда может произойти одно из нескольких событий, т.е. система может перейти в одно из нескольких состояний, При этом количество информации, получаемой в результате снятия

неопределенности, вычисляется по

формуле,

называемой

формулой

Шеннона:

 

 

 

 

m

 

 

I

pi log 2

pi ,

 

i

1

 

 

где I- количество информации; p- вероятность события; m- число возможных состояний системы.

В частном случае для равновероятных исходов, когда p1=p2=...=pi степень неопределенности, снимаемой в результате получения информации, измеряется логарифмом числа состояний системы и называется энтропией: H = log2m. Для систем с двумя равновероятностными возможностями («да», «нет», или «плюс», «минус», или «0», «1»):

H = log22 = 1.

10

Глава1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФОРМАТИКЕ

 

 

Эта величина принята за единицу измерения и названа битом.Слово бит

– это аббревиатура от BInarydigiT, придумана в 1946 году американским ученым-статистиком Джоном Тьюки.

Как правило, состояние системы характеризуется не двумя, а большим числом возможностей выбора, Например, русская письменность использует 32 буквы алфавита; выбор идет из 32 двух возможностей, т.е. m = 32, Если допустить, что появление каждой буквы равновероятно, то каждая из них несет

Y = log232 = log 25 = 5 бит информации.

Равные по объему сообщения могут содержать разное количество информации. Чем больше разнообразие знаков, из которых состоит сообщение, тем больше в нем информации.

Таким образом, теория Шеннона дала возможность количественного определения информации в сообщении. Однако она полностью игнорирует содержание передаваемой информации, оставляет в стороне смысл сообщения. Было сделано несколько попыток найти меру содержательности информации для ее получателя. Так, советский математик Ю.Шрейдер предложил оценивать информацию по увеличению объема знаний у человека под воздействием информационного сообщения. Академик А.А. Харкевич предложил измерять содержательность информации по увеличению вероятности достижения цели после получения информации человеком или машиной. Однако и этот подход требует дальнейшей разработки.

В настоящее время в различных источниках, даются различные определения информации, зачастую противоречивые, поэтому, для частичного преодоления этих трудностей, воспользуемся определением, предлагаемым В. Г. Афанасьев, который вводит близкое информации понятие информационных данных: «Данные − это всякие сведения, сообщения, знания. Они могу храниться, перерабатываться, передаваться, но характер информации они приобретают лишь тогда, когда получают содержание и форму, пригодную для управления, и используются в управлении, причем, речь идет как об управлении человека самим собой, так и управлением техникочеловеческими и социальными системами различных уровней». Собственно говоря, эта точка зрения прочно утвердилась в концепциях программирования и автоматической обработки информации на ЭВМ, в экономической семиотике, где «данные» и «информация» рассматриваются как близкие, взаимосвязанные, но различные понятия».

Следует, тем не менее, еще раз подчеркнуть, что всеоблемлющего определения для термина «информация» не найдено, ученые, занимающиеся методологическими проблемами информации и информатизации, пришли к мнению, что понятие информации относится к фундаментальным понятиям как, например понятие множества в математике. У этого понятия нет строгого

Информатика

11

 

 

определения, можно только соотнести его к множеству тех или иных объектов или явлений: множество студентов, множество пятиэтажных домов, множество летних дней и т.п. Так и с понятием «информация», можно дать определение научной информации, наследственной информации, компьютерной информация, социальной или конфиденциальной информациям и т.д.

1.3 Виды информации

Информацию, материализованную в виде зрительных образов, звуков, запахов, ощущений, в устной (живая речь) и письменной форме соответственно восприятию органами чувств называют визуальной, аудиальной, тактильной,

вкусовой и запах.

Информацию для специалистов в области науки, техники и производства можно выделить в специальную научно-техническую в отличие отмассовой,

т.е. предназначенной для всех.

Вмассовой информации можно выделить общественно-политическую, обыденную и эстетическую. Общественно-политическая информация это информация о событиях в жизни общества, зачастую может нести в себе идейную направленность. Основная задача обыденной информации − регламентация поведения членов общества, ориентирования их поведения в социальной среде. Эстетическую информацию рассматривают как специфический вид информации, обладающий свойством воздействовать на эмоциональную сферу человека с помощью художественных образов.

Вспециальной информации можно выделить информацию: научную, техническую, производственную, научно-техническую. Научнаяинформация создается в сфере науки в ходе научных исследований, направленных на изучение закономерностей природы, общества, мышления, Ее в свою очередь можно подразделить соответственно различным областям общественных, естественных и философских наук. Техническая информация образуется в сфере техники и предназначена для решения конкретных технических задач, например для разработки новых изделий, материалов, технологических процессов. Выделяют различные виды технической информации по отраслям народного хозяйства, т.е. отраслевую информацию, отражающую особенности каждой отрасли - машиностроения, электротехники и энергетики, транспорта, строительства, сельского хозяйства и т.д.Производственная информация относится к сфере производственной деятельности и используется для создания материальных благ. В зависимости от характера производственных процессов можно выделить информацию технологическую, конструкторскую, планово-экономическую, эксплуатационную и др.

12

Глава1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНФОРМАТИКЕ

 

 

В связи с тем, что наука стала в настоящее время непосредственной производительной силой, и все виды специальной информации, особенно научной и технической, находятся в тесной взаимосвязи, поэтому в практике информационного обслуживания пользуются понятием научно-технической

информации.

1.4 Структура информации

Различают содержательную и формальную структуру социальной информации. Содержательную структуру определяет структура знания,

которая имеет несколько уровней. Элементами первого уровня являются эмпирические факты о предметах, процессах или событиях реальной жизни; на втором уровне познаниипроисходит осмысление эмпирических фактов, устанавливаются между ними связи, эмпирический факт превращается

внаучный; высшим является уровень абстрактно-логического мышления,

впроцессе которого вырабатываются концепции - гипотезы, теории, законы, директивы.

Выделение названных уровней в содержательной структуре информации в известной мере условно, так как информационные сообщения могут содержать элементы каждого уровня познания, т.е. и факты и концепции.

Формальная структура информации предполагает анализ знаковой формы, с помощью которой передается содержание информации. Наиболее часто такой знаковой формой является естественный язык. Известно, что

вструктуре естественного языка выделяются три уровня: фонетический,

лексический и синтаксический. На каждом из них можно выделить синтагматическую (горизонтальную) ось, определяющую порядок следования элементов на каждом уровне (букв в алфавите, букв в слове, слов

впредложении, предложений в тексте сообщения), и парадигматическуюось, отражающую наличие различных взаимосвязей между элементами каждого уровня, Можно группировать их, например, по признакам сходства и различия: гласные - согласные, синонимы - антонимы, типы предложений.

Помимо названных уровней, в информатике вводится еще один – текстовый, на котором тоже можно выделить синтагмы и парадигмы. Следование предложений в логическом порядке представляет логическую синтагму. Примером текстовой парадигмыможет служить группировка текстов по тематике, хронологии, формату и т.д. Особое значение выделение парадигматических и синтагматических осей имеет при разработке искусственных языков представления информации.