84

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Березниковский филиал

Кафедра химической технологии и экологии

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по дисциплине: ИНФОРМАТИКА

Березники 2005

УДК 681.3 (075.8)

ББК 32.81я73

М74

Рецензенты:

Составители: ст. преподаватель С.В. Лановецкий

канд. техн.наук, доцент О.К.Косвинцев

Информатика: Учебное пособие / Сост.: С.В. Лановецкий, О.К. Косвинцев. Березниковский филиал Пермского государственного технического университета, 2005

Учебное пособие содержит основные сведения по теоретическим основам информатики, языкам и методам программирования, вычислительной техники, информационным системам и информационным технологиям, компьютерным сетям и телекомуникациям, поиску и защите информации.

Предназначенно для студентов изучающих курс информатики

Изложенно в соответствии с требованиями действующего Государственного образовательного стандарта дисциплины «Информатика» и программы рекомендованной Министерством образования и науки Российской Федерации.

© Березниковский филиал Пермского государственного

технического университета, 2005

Оглавление:

1 ИНФОРМАТИЗАЦИЯ ОБЩЕСТВА 4

2 ИНФОРМАТИКА — ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ 16

3 ИНФОРМАЦИЯ В МАТЕРИАЛЬНОМ МИРЕ 18

4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ 26

5 ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 30

6 УСТРОЙСТВО ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА 35

7 ОСНОВЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ 49

8 КОМПЬЮТЕРНАЯ ГРАФИКА 54

9 БАЗЫ ДАННЫХ 57

10 КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ 61

11 ИНТЕРНЕТ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ 63

12 ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ 73

13 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ПО ИНФОРМАТИКЕ 83

1. Информатизация общества

   1. Роль и значение информационных революций

В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций — преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.

Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.

Невозможно представить современное общество без книг. Однако люди прожили таким образом большую часть своей истории. Накопленные знания одно поколение передавало другому устно, или же показывая, как надо работать, чтобы обеспечить себя пищей, жильём, одеждой. Когда люди перестали жить большими группами, когда сложились первые государства, объем, и разнообразие знаний стали слишком велики, чтобы их можно было сохранить в памяти. Да и передаваться такие сведения должны были уже не только сородичам или ближайшим соседям. Нужно было изобрести письменность и размножать написанное.

Самой ранней формой письменности была пиктография, или рисуночное письмо (письмо с помощью рисунков). Следующим этапом развития письменности была идеография, или символическое письмо. Примером идеографии может служить древнеегипетская письменность. Если пиктография служила для изображения целого сообщения, то каждый знак идеографической письменности - иероглиф - изображал отдельное слово. Самая знаменитая из идеографических письменностей - это китайская иероглифика. Китайские иероглифы легли в основу современной японской письменности. Всего в современной китайской письменности 60 тысяч иероглифов.

Ещё одна идеологическая письменность - клинописная, распространённая среди народов древнего Двуречья: шумеров и ассиро-вавилонян. В ней происходило постепенное упрощение рисунков, пока они не сократились до самой общей схемы, в сущности уже не рисунка, а символа.

Важнейший шаг на пути к современному алфавиту сделали древние финикийцы: они воспользовались для письма египетскими иероглифами, но взяли только те из них, которые обозначали отдельные слоги. Но в финикийском языке были и звуки, которые отсутствовали в египетском. Для этих звуков финикийцы создали новые знаки.

Настоящий - не слоговой, а буквенный - алфавит, где есть знаки не только для согласных, но и для гласных, появился впервые у древних греков. Они заимствовали письменность у финикийцев, но оказалось, что она не очень пригодна для греческого языка, в котором гласные играют существенную роль и им тоже нужны обозначения. Тогда-то греки и придумали знаки для гласных.

Многие письменности, в том числе и латинский алфавит, возникли из греческого письма. Латинским алфавитом с различными дополнительными знаками и двойными буквенными обозначениями для звуков, не существовавших в латинском языке, сейчас пользуется громадная часть человечества. В средние века латынь стала международным языком, и в течение многих столетий она играла роль языка учёного мира.

Славянский алфавит был разработан в 863 году на основе греческой письменности двумя учеными монахами из византийского города Солунь (ныне Салоники в Греции) Кириллом и Мефодием.

В кириллице 43 буквы. Между прочим, они использовались и для обозначения цифр: для этого над ними ставились черточки. И до сих пор кириллицей, в разных ее вариантах, пользуются в России, Болгарии и Югославии.

Современное начертание русский алфавит приобрёл в начале восемнадцатого века, когда Пётр I ввёл новую форму письменных знаков - гражданский шрифт вместо церковнославянского. Развитие культуры, рост спроса на книги не только религиозные, но и научные и учебные, расцвет художественной литературы требовали более простой графики букв. С течением времени некоторые из букв кириллицы оказались лишними, потому что из языка исчезли обозначаемые ими звуки. Петровская реформа не избавила русскую азбуку от всех лишних букв, были официально исключены только некоторые из них. Письмом, построенным на основе кириллицы, пользуются народы, которые разговаривают на 60 языках.

Вторая информационная революция (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Не так много в истории человечества событий, сопоставимых по масштабам воздействия с этим технически не сложным изобретением. Достаточно сказать, что указатель литературы включает свыше 10 000 названий. Хотя необходимо отметить, что еще достаточно много неясностей в истории изобретения книгопечатания. Имя изобретателя несомненно - Иоганн Гутенберг (около 1399-1468 гг.), несомненна и его принадлежность к гуманитарной культуре. Например, среди его друзей был Николай Кузанский. Труднее установить дату изобретения книгопечатания. Древнейшая датированная печатная книга, в которой указаны имена типографов - это Псалтырь, выпущенная в свет в Майнце Перером Шеффером и Иоганном Фустом (учениками Гутенберга, впоследствии предавшими учителя) 14 августа 1457 г. Знаменитая 42-строчная Библия, считающаяся некоторыми исследователями первой печатной книгой, выходных сведений не имела, но косвенная дата - 1456 г. Некоторые другие первопечатные издания указывают на самую раннюю дату - октябрь 1454 г. Но что изобрел Гутенберг? Ведь печатание было известно и до него. Он изобрел полиграфический процесс, составными частями которого были: словолитный процесс - изготовление одних и тех же литер в достаточно большом количестве экземпляров; наборный процесс - изготовление печатной формы, составленной из отдельных, заранее отлитых литер; печатный процесс - множественное изготовление красочных оттисков, получаемых с помощью наборной формы, который осуществлялся на типографском станке.

Третья революция (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.

Основные этапы третьей информационной революции:

1834г ‑ ЯКОБИ Борис Семенович ‑ русский ученый, физик, специалист в области электротехники и гальванопластики. Построил один из первых практических электромоторов постоянного тока — электродвигатель с вращающимся рабочим валом.

1835г ‑ Американский изобретатель и художник Сэмюэл Морзе создал и широко внедрил в практику телеграфный аппарат и линии связи. Он же разработал кодирование букв, цифр и знаков препинания набором точек и тире — азбуку Морзе.

1872г ‑ Русский ученый А.Н. Лодыгин изобретает лампу накаливания, а в 1879 г. Американский ученый Эдисон создает лампу накаливания с угольной нитью достаточно долговременной конструкции, получившую широкое распространение. Изобретение Лодыгина было усовершенствовано Эдисоном и его лампочка накаливания загорелась через шесть лет после освещения Петербурга лодыгинскими лампами.

1876г ‑ Американский изобретатель А.Г. Белл получает патент на изобретение телефона. Деньги для опытов по созданию телефона изобретатель Александр Белл нашел, преподавая в школе для глухонемых. Устройство, позволяющее слышать друг друга на большом расстоянии, поначалу показалось многим забавной игрушкой. Но очень скоро телефонный бизнес стал ареной ожесточенной конкурентной борьбы, которая не прекращается по сей день.

1895г ‑ Русский ученый А.С. Попов изобретатель радио. 7 мая 1896 г. Демонстрирует радиопередачу на расстояние 250 м. В 1900 году под его руководством была осуществлена первая практическая радиопередача на расстояние 47 км. При спасении броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», севшего на камни вблизи острова Гоглана в Финском заливе.

1907г ‑ Русский ученый Борис Львович Розинг заявил патент на использование электронно-лучевой трубки. Занимаясь в течение 10 лет исследованиями в области телевидения, Розинг 25 июня 1907 г. подал заявку на «Способ электрической передачи изображений на расстояние». По этой заявке ему был выдан патент № 18076.

Четвертая революция (70-е гг. XX в.) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации).

Микропроцессор представляет собой компьютер в миниатюре. Кроме обрабатывающего блока, он содержит блок управления и даже память (внутренние ячейки памяти). Это значит, что микропроцессор способен автономно выполнять все необходимые действия с информацией. Многие компоненты современного персонального компьютера содержат внутри себя миниатюрный компьютер. Массовое распространение микропроцессоры получили и в производстве, там где управление может быть сведено к отдаче ограниченной последовательности команд.

Микропроцессоры незаменимы в современной технике. Например, управление современным двигателем - обеспечение экономии расхода топлива, ограничение максимальной скорости движения, контроль исправности и т. д. - немыслимо без использования микропроцессоров. Еще одной перспективной сферой их использования является бытовая техника - применение микропроцессоров придает ей новые потребительские качества.

Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:

1. переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;

2. миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;

3. создание программно-управляемых устройств и процессов.

Для создания более целостного представления об этом периоде целесообразно познакомиться с приведенной ниже справкой о смене поколений электронно-вычислительных машин (ЭВМ) и сопоставить эти сведения с этапами в области обработки и передачи информации.

Справка о смене поколений ЭВМ.

1-е поколение (1946 — 1958 гг.). Элементная база — электронные лампы. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.

Использование электронной лампы в качестве основного элемента ЭВМ создавало множество проблем. Из-за того, что высота стеклянной лампы — 7см, машины были огромных размеров. Каждые 7-8 мин. одна из ламп выходила из строя, а так как в компьютере их было 15 - 20 тысяч, то для поиска и замены поврежденной лампы требовалось очень много времени. Кроме того, они выделяли огромное количество тепла, и для эксплуатации «современного» компьютера того времени требовались специальные системы охлаждения.

Чтобы разобраться в запутанных схемах огромного компьютера, нужны были целые бригады инженеров. Устройств ввода в этих компьютерах не было, поэтому данные заносились в память при помощи соединения нужного штекера с нужным гнездом.

Машины предназначались для решения сравнительно несложных научно-технических задач. Они были значительных размеров, потребляли большую мощность, имели невысокую надежность работы и слабое программное обеспечение. Быстродействие их не превышало 2-3 тысяч операций в секунду, емкость оперативной памяти — 2К или 2048 машинных слов. В вычислительных машинах этого времени использовалась внешняя память на магнитном барабане. В конце этого периода стали выпускаться устройства памяти на магнитных сердечниках.

Производственные системы и компиляторы пока не появились. Надежность ЭВМ этого поколения была крайне низкой

2-е поколение (1959 — 1967 гг.) Элементная база — полупроводниковые элементы. Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.

Первые компьютеры на основе транзисторов появились в конце 50-х годов, а к середине 60-х годов были созданы более компактные внешние устройства, что позволило фирме Digital Equipment выпустить в 1965 г. первый мини-компьютер PDP-8 размером с холодильник и стоимостью всего 20 тыс. долларов.

И все-таки самой удивительной способностью транзистора является то, что он один способен трудиться за 40 электронных ламп и при этом работать с большей скоростью, выделять очень мало тепла и почти не потреблять электроэнергию. Одновременно с процессом замены электронных ламп транзисторами совершенствовались методы хранения информации. Увеличился объем памяти, а магнитную ленту, начали использовать как для ввода, так и для вывода информации. А в середине 60-х годов получило распространение хранение информации на дисках. Большие достижения в архитектуре компьютеров позволило достичь быстродействия в миллион операций в секунду!

Примерами транзисторных компьютеров могут послужить «Стретч» (Англия), «Атлас» (США). В то время СССР шел в ногу со временем и выпускал ЭВМ мирового уровня (БЭСМ-6).

Машины предназначались для решения различных трудоемких научно-технических задач, а также для управления технологическими процессами в производстве. Появление полупроводниковых элементов в электронных схемах существенно увеличило емкость оперативной памяти, надежность и быстродействие ЭВМ. Уменьшились размеры, масса и потребляемая мощность.

С появлением машин второго поколения значительно расширилась сфера использования электронной вычислительной техники, главным образом за счет развития программного обеспечения. Данный период характеризуется широким применением транзисторов и усовершенствованных схем памяти на сердечниках. Большое внимание начали уделять созданию системного программного обеспечения, компиляторов и средств ввода-вывода.

Вычислительные машины этого периода успешно применялись в областях, связанных с обработкой множеств данных и решением задач, обычно требующих выполнения рутинных операций на заводах, в учреждениях и банках. Эти вычислительные машины работали по принципу пакетной обработки данных. По существу, при этом копировались ручные методы обработки данных.

3-е поколение (1968 — 1974 гг.). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.

Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм². Первые интегральные схемы (ИС) появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы!

Появление ИС означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

4-е .поколение (1975 г. - … ). Элементная база — микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.

Четвёртое поколение — это теперешнее поколение компьютерной техники, разработанное после 1975 года. Именно в это время была предпринята попытка выяснить, можно ли на одном кристалле разместить больше одной интегральной схемы. Оказалось, можно! Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см²). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Каково же быстродействие современной микроЭВМ? Оно в 10 раз превышает быстродействие ЭВМ третьего поколения на интегральных схемах, в 1000 раз — быстродействие ЭВМ второго поколения на транзисторах и в 100000 раз — быстродействие ЭВМ первого поколения на электронных лампах.

Далее, почти 40 лет назад компьютеры типа Юнивак стоили около 2,5 млн. долларов. Сегодня же ЭВМ со значительно большим быстродействием, более широкими возможностями, более высокой надежностью, существенно меньшими габаритами и более простая в эксплуатации стоит примерно 2000 долларов. Каждые 2 года стоимость ЭВМ снижается примерно в 2 раза.

Компьютеры четвертого поколения развиваются в двух направлениях

• создание многопроцессорных вычислительных систем

• создание дешевых персональных компьютеров, как настольных, так и переносных, а на их основе — компьютерных сетей.

Для четвертого поколения характерны:

• применение персональных компьютеров;

• телекоммуникационная обработка данных;

• компьютерные сети;

• широкое применение систем управления базами данных;

• элементы интеллектуального поведения систем обработки данных и устройств.

5-е поколение (с середины 80-х гг.). В октябре 1981 года Японское министерство международной торговли и промышленности объявило о создании исследовательской организации — Института по разработке методов создания компьютеров нового поколения (Institute for New Generation Computer Technology Research Center). Целью данного проекта было создание систем обработки информации, базирующихся на знаниях. Предполагалось, что эти системы будут обеспечивать простоту управления за счет возможности общения с пользователями при помощи естественного языка. Эти системы должны были самообучаться, использовать накапливаемые в памяти знания для решения различного рода задач, предоставлять пользователям экспертные консультации, причем от пользователя не требовалось быть специалистом в информатике. Предполагалось, что человек сможет использовать ЭВМ пятого поколения так же легко, как любые бытовые электроприборы типа телевизора, магнитофона и пылесоса. Вскоре вслед за японским стартовали американский и европейский проекты.

Появление таких систем могло бы изменить технологии за счет использования баз знаний и экспертных систем. Основная суть качественного перехода к пятому поколению ЭВМ заключалась в переходе от обработки данных к обработке знаний. Японские ученые надеялись, что им удастся не подстраивать мышление человека под принципы функционирования компьютеров, а приблизить работу компьютера к тому, как мыслит человек, отойдя при этом от фон неймановской архитектуры компьютеров. В 1991 году предполагалось создать первый прототип компьютеров пятого поколения.

Теперь уже понятно, что поставленные цели в полной мере так и не были достигнуты, однако этот проект послужил импульсом к развитию нового витка исследований в области искусственного интеллекта и вызвал взрыв интереса к логическому программированию. Так как для эффективной реализации традиционная фон неймановская архитектура не подходила, были созданы специализированные компьютеры логического программирования PSI и PIM.

В качестве основной методологии разработки программных средств для проекта ЭВМ пятого поколения было избрано логическое программирование, ярким представителем которого является язык Пролог. Думается, что и в настоящее время Пролог остается наиболее популярным языком искусственного интеллекта в Японии и Европе (в США, традиционно, более распространен другой язык искусственного интеллекта —язык функционального программирования Лисп).

Последняя информационная революция выдвигает на первый план новую отрасль — информационную индустрию, связанную с производством технических средств, методов, технологий для производства новых знаний. Важнейшими составляющими информационной индустрии становятся все виды информационных технологий, особенно телекоммуникации. Современная информационная технология опирается на достижения в области компьютерной техники и средств связи.

Информационная технология (ИТ) — процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.

Телекоммуникации — дистанционная передача данных на базе компьютерных сетей и современных технических средств связи.