Информатика 1.2

 

Аннотация

 

Дисциплина «Информатика» относится к базовой части дисциплин математического и естественнонаучного цикла. Она посвящена изучению основных понятий и представлений об информатике, информационных технологиях, аппаратном устройстве персональных компьютеров, вычислительных систем, сетей и их программном обеспечении.

В результате изучения дисциплины формируются компетенции, необходимые для изучения дисциплин профессионального цикла. При этом закладываются основы в те компетенции, которые содержат понятия, связанные с логическим мышлением, а именно: понимать, анализировать, сравнивать, оценивать, делать выводы, выбирать, применять, решать, интерпретировать, аргументировать, объяснять, представлять и т.д.

Цель изучения дисциплины «Информатика» состоит в том, чтобы изучить основные понятия информатики, познакомиться с техническими и программными средствами электронных вычислительных машин, особенно современных персональных компьютеров. Первая часть курса посвящена теоретическим аспектам информатики. Вторая часть – освоению навыков работы в операционной системе Windows 8, а также использованию компьютерных программ для решения большинства офисных задач: подготовки текстовых, графических и табличных документов, а также баз данных.

Кроме того, цель курса состоит в формировании у студентов базовой системы знаний о процессах получения, хранения, передачи и преобразования информации, об информационной безопасности, технических средствах информатизации, современном уровне развития информационных технологий и их применении в разных сферах человеческой деятельности, а также в овладении навыками формализации задач и использовании программного инструментария для их решения.

Дисциплина «Информатика» формирует общую систему теоретических и концептуальных представлений об информатизации общества, управленческой деятельности, а также развивает ряд практических навыков и умений, позволяющих студентам впоследствии принимать высокоэффективные управленческие решения, на базе современных информационных технологий.

Задачи изучения дисциплины:

     получить представление о сущности понятия информации и ее свойствах;

     понять значение информации в развитии современного информационного общества;

     осознавать опасности и угрозы, возникающие в этом процессе;

     соблюдать основные требования информационной безопасности, в том числе защиты государственной тайны;

     овладеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации;

     иметь навыки самостоятельной работы на компьютере и в компьютерных сетях;

     овладеть культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей её решения.

 

В результате освоения дисциплины Информатика у студента должны быть сформированы следующие компетенции:

1.  Знать теоретические основы информатики и информационных технологий, возможности и принципы использования современной компьютерной техники.

2.  Уметь применять теоретические знания при решении практических задач, используя возможности вычислительной техники и программного обеспечения.

3.  Владеть навыками, базовыми методами и технологиями управления информацией, включая использование программного обеспечения.

 

Тема 1. Основные понятия и задачи информатики

 

Цель и задачи: рассмотреть понятие, структуру и задачи информатики.

 

Вопросы темы:

1.  Понятие, структура и задачи информатики.

2.  Информация, данные и знания.

3.  Свойства информации.

4.  Информационные процессы, системы и технологии.

5.  Информатизация общества.

 

Вопрос 1. Понятие, структура и задачи информатики.

 

Информация – это любые сведения о событиях, объектах и явлениях окружающей среды, их свойствах и состоянии. Термин происходит от латинского слова informatio – разъяснение, изложение, осведомлённость. Философия рассматривает информацию как всеобщее свойство материальных объектов. Информация содержится в сообщениях и передается людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, графических изображений, звуков и т.д.). С середины XX в. информация – это общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительном мире.

Вся жизнь человека, так или иначе, связана с получением, накоплением и обработкой информации. Что бы человек ни делал, он постоянно и непрерывно получает и обрабатывает информацию. В настоящее время любой специалист должен тратить большую часть своего рабочего времени, чтобы уследить за всеми информационными изменениями в области своей деятельности.

Появление и развитие компьютерной техники, а также увеличение объемов информации обусловили появление целой отрасли, связанной с автоматизацией обработки информации – информатики.

Информатика – это научная дисциплина, изучающая законы и методы накопления, обработки, хранения и передачи информации с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ). В то же время информатика занимается изучением и решением комплекса проблем, связанных с эффективным использованием информационных ресурсов общества.

Термин «информатика» (франц. Informatique) возник в начале 60-х годов ХХ века во Франции для выделения области знаний, связанной с автоматизированной обработкой информации с помощью электронно-вычислительных машин. Informatique происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает «информационная автоматика».

В 1978 г. международный научный конгресс официально закрепил за понятием «информатика» области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации – массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей.

Информатику можно рассматривать с двух различных позиций.

1.  Как фундаментальная наука информатика исследует закономерности информационных процессов любой природы и занимается разработкой информационного обеспечения управления различными объектами на базе полученных результатов исследования информационных процессов (первая задача информатики).

2.  Как прикладная дисциплина информатика создает информационные модели в различных областях человеческой деятельности и разрабатывает современные информационные технологии для всех сфер жизни (вторая задача информатики).

 

Сегодня достижения информатики находят широкое применение практически во всех областях человеческой деятельности. В каждой области научного знания информатика преломляется в прикладное направление, основанное на использовании особенностей информационных процессов и свойствах конкретных видов информации, циркулирующих в данной области. Это привело к возникновению прикладной информатики: экономической, социальной, правовой и т.д.

Естественно, что каждое из прикладных направлений информатики имеет в своем арсенале весь набор средств и методов общей информатики в целом. Однако особенности информационной работы в конкретных видах деятельности приводят к необходимости использования специфики изучаемой информации и информационных процессов и, следовательно, к развитию общей теории с использованием этих особенностей.

Структурно информатика представляет собой три взаимосвязанные части, среди которых невозможно выделить главную:

1)      технические средства (hardware);

2)      программные средства (software);

3)      алгоритмические средства (brainware).

 

Вопрос 2. Информация, данные и знания.

 

Применительно к автоматизированной обработке данных информация – это последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодированных графических образов или звуков и т.п.), несущая смысловую нагрузку и представленная в понятном компьютеру виде.

Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации, например, телепередача или музыкальное произведение, команды регулировщика на перекрестке, фотография или распечатанный на принтере текст, полученные в результате работы программы сведения и т.д. При этом предполагается, что имеются источник информации и получатель информации.

Бессмысленно говорить об информации без наличия потребителя, хотя бы потенциального. Для передачи сообщения от источника к получателю необходима некоторая материальная субстанция — носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, называется сигналом.

Формы представления информации могут быть различны. Основными из них являются:

     символьная (основана на использовании различных символов);

     текстовая (текст – это символы, расположенные в определенном порядке);

     графическая (различные виды изображений);

     звуковая;

     электрическая, электромагнитная, световая (например, импульсы);

     тактильная (например, горячо-холодно);

     генетическая и т.д.

 

Наряду с термином «информация» часто употребляется понятие «данные» – это отдельные факты или записанные наблюдения, характеризующие объекты, явления, процессы и их свойства в конкретной предметной области, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. Данные – сведения, полученные путем измерения, наблюдения, логических или арифметических операций и представленные в форме, пригодной для постоянного хранения, передачи и обработки.

Данные могут быть представлены в виде текста, графики, аудиовизуального ряда. Представление данных называется языком информатики, представляющим собой совокупность символов, соглашений и правил, используемых для общения, отображения, передачи информации в электронном виде. Например, записанные в таблице значения какого-либо параметра для разных автомобилей.

На информации основываются знания, обобщающие опыт, полученный человеком в ходе выполнения какой-либо практической деятельности, и представляющие собой закономерности предметной области (принципы, связи, законы), позволяющие решать задачи в этой области. Знания – это зафиксированная и проверенная практикой обработанная информация, которая использовалась и может многократно использоваться для принятия решений.

Преобразование и обработка данных позволяют получить информацию. Например, данные, передаваемые радиотелеграфом в виде азбуки Морзе (точки и тире), понимаются как текстовые сообщения людьми, изучившими эту азбуку (радисты, телеграфисты). Текст на иностранном языке – это данные для тех людей, которые этого языка не знают. Однако, знание иностранного языка позволяет понять информацию, заложенную в тексте. То есть обработка данных (перевод с иностранного языка на русский) преобразует данные в информацию

Формальные знания могут быть в виде документов (законов, стандартов, инструкций) или книг, учебников с описанием правил решения задач. Неформальные знания – это знания и опыт специалистов в определенной предметной области.

 

Вопрос 3. Основные свойства информации.

 

Нетрудно понять, что информация, используемая в разных отраслях человеческой деятельности, обладает различными свойствами. Однако, существует ряд свойств информации, которые являются общими для любых сфер применения информации. Наиболее важные среди них – это:

     достоверность;

     полнота;

     актуальность;

     ценность;

     ясность.

 

Достоверная информация отражает истинное положение дел. К чему может привести недостоверная информация? К неправильному пониманию или неправильному принятию решений (например, на бирже).

Информация является полной, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Неполнота информации может сдерживать принятие решений или повлечь ошибки. Например, указание в расписании занятий названия предмета и времени начала, дает неполную информацию, поскольку не указана аудитория, продолжительность занятий и фамилия преподавателя.

Актуальная информация – это информация, которая поступила вовремя и содержит не устаревшие сведения. Например, курс валюты на бирже, может измениться в любой момент времени.

Если сведения, которые несёт информация, полезны для принятия решений, то такая информация является ценной. В противном случае ценность информации отсутствует, то есть она бесполезна для определённых задач.

Ясность состоит в требовании, чтобы информация была выражена понятным языком для тех, кому она предназначена. Например, текст на иностранном языке понятен только тем, кто этот язык понимает.

 

Вопрос 4. Информационные процессы, системы и технологии.

 

Как ясно из изложенного выше, информацию можно: создавать, воспринимать, запоминать, хранить, копировать, искать, формализовать, обрабатывать, преобразовывать, передавать, распространять и т.д. Обработка информации состоит в получение одних информационных объектов из других информационных объектов путем выполнения некоторых операций.

Информационный процесс – это процесс восприятия, накопления, обработки и передачи информации. Информационные процессы постоянно протекают в природе, обществе, науке и технике. Так, процесс зарождения и развития любого объекта в живой природе (растения, животного и т.д.) сопровождается восприятием информации (например, генетической), накоплением (например, воздействия окружающей среды), хранением, обработкой (реакцией на внешние воздействия) и передачей (например, генов своим потомкам). Аналогичные информационные процессы протекают и в человеческом обществе. В технике можно привести пример управления любым техническим объектом – автомобилем, самолётом и пр.

Информационная система – система, обеспечивающая получение, хранение, обработку информации для решения конкретных задач и её выдачу или передачу. Например, автоматизированная справочная система на вокзале получает от пользователя данные: пункт назначения, дату выезда, тип поезда (скорый, пассажирский) и вагона (купейный, мягкий, плацкартный); и на основании этих данных, а также данных заложенных в память системы, выдает время отправления, стоимость билета и другие интересующие пользователя параметры.

Информационные технологии – совокупность средств и методов, используемых для реализации информационных систем. То есть это компьютерная техника, алгоритмы и программы, на основании которых создаются информационные системы. Федеральный закон РФ № 149 «Об информации, информационных технологиях и о защите информации» дает такое определение этого понятия: «Информационные технологии – это процессы, методы поиска, сбора, хранения, обработки, предоставления, распространения информации и способы осуществления таких процессов и методов».

Информационный ресурс – устойчивая совокупность источников информации. Это может быть расписание поездов, книга, телефонный справочник, а также сайт в сети Интернет.

 

Вопрос 5. Информатизация общества.

 

Роль информатики в современных условиях постоянно возрастает. Деятельность как отдельных людей, так и целых организаций все в большей степени зависит от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информацию. Внедрение компьютеров, а также современных методов и средств обработки и передачи информации послужило началом процесса, называемого информатизацией общества. Современное материальное производство и другие сферы деятельности все больше нуждаются в информационном обслуживании, переработке огромного количества информации.

Информатизация на основе внедрения компьютерных и телекоммуникационных технологий является реакцией общества на потребность в существенном увеличении производительности труда в информационном секторе общественного производства, где сосредоточено более половины трудоспособного населения.

Результатом процесса информатизации является создание информационного общества, где манипулируют не материальными объектами, а идеями, образами, интеллектом, знаниями. Для каждой страны ее движение от индустриального этапа развития к информационному этапу определяется степенью информатизации общества.

Информационное общество – общество, в котором большинство работающих людей заняты производством, хранением, переработкой и обменом информацией. Переход к информационному обществу сопровождается переносом центра тяжести в экономике с производства материальных благ (товаров) на оказание услуг.

Информационная культура – умение целенаправленно работать с информацией и использовать для ее получения, обработки и передачи компьютерную информационную технологию, современные средства и методы.

Информационная культура заимствует и использует достижения многих наук: кибернетики, информатики, теории информации, математики, психологии, социологии и ряда других дисциплин. Неотъемлемой частью информационной культуры является знание информационной технологии и умение применять ее на практике.

Информатизация общества – организованный социально-экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов.

Цель информатизации – улучшение качества жизни людей за счет увеличения производительности и облегчения условий их труда.

Информатизация – это сложный социальный процесс, связанный со значительными изменениями в образе жизни населения. Он требует серьезных усилий на многих направлениях, включая ликвидацию компьютерной неграмотности, формирование культуры использования новых информационных технологий и др.

 

Вопросы для самопроверки:

1.      Каково происхождение термина «информатика»?

2.      Перечислите три взаимосвязанные части, составляющие информатику.

3.      Перечислите области деятельности, официально закрепленные за понятием «информатика» международным научным конгрессом в 1978 г.

4.      Каким образом (с помощью каких средств) информация передается между людьми?

5.      В результате каких действий получаются данные?

6.      Что необходимо для преобразования данных в информацию?

7.      Перечислите основные формы представления информации.

8.      В чем отличие формальных знаний от неформальных знаний?

9.      Какие действия выполняются в процессе обработки информации?

10.  Что такое информационное общество?

 

Литература по теме:

 

1.  Гальченко Г.А., Дроздова О.Н. Информатика: учебное пособие. – М.: Феникс. – 381 с.

2.  Гуриков С.Р. Информатика: учебник. – М.: Форум. – 464 с.

3.  Федеральный портал «Единое окно доступа к образовательным ресурсам» http://window.edu.ru

 

Практические задания:

1.  Заполните правый столбец таблицы, дав определение понятиям, обозначенным в левом столбце.

 

Понятие	Определение
Информатика	Это научная дисциплина, изучающая законы и методы накопления, обработки, хранения и передачи информации с помощью электронно-вычислительных машин (ЭВМ).
Информация
Данные
Знания

 

2.  Охарактеризуйте свойства информации, приведённые в левом столбце таблицы.

 

Свойство	Описание
Достоверность	Информация соответствует истинному положению дел
Полнота
Актуальность
Ценность
Ясность

 

3.  Дайте определения понятиям, приведённым в левом столбце таблицы.

 

Понятие	Определение
Информационный процесс	Информационный процесс – это процесс восприятия, накопления, обработки и передачи информации.
Информационная система
Информационная технология
Информационный ресурс

 

Тема 2. Математические основы информатики

 

Цель и задачи: рассмотреть понятие о системах счисления, элементах алгебры логики, а также способах представления информации в ЭВМ, получить навыки определения количественных характеристик информации.

 

Вопросы темы:

1.  Системы счисления.

2.  Количественные характеристики информации.

3.  Представление информации в ЭВМ.

4.  Элементы алгебры логики.

 

Вопрос 1. Системы счисления.

 

Система счисления — это способ представления чисел с помощью символов (цифр), имеющих определенные количественные значения.

В зависимости от способа изображения чисел выделяется два типа систем счисления:

1.  Позиционные системы счисления, в которых количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе, например, арабская система счисления.

2.  Непозиционные системы счисления, в которых цифры не меняют своего количественного значения при смене позиции в числе, например, римская система счисления.

 

В Римской системе счисления значение цифры не зависит от ее положения в записи числа. Например, число ХХХ. Здесь цифра Х в любом месте означает число десять (а вся запись – число 10+10+10=30).

Непозиционные системы счисления неудобны для вычислений, поэтому в вычислительной технике используются только позиционные системы счисления.

Основание позиционной системы счисления (P) — это количество различных цифр, используемых для изображения чисел в системе счисления. При этом сами значения цифр лежат в пределах от 0 до P – 1. В повседневной жизни мы имеем дело с десятичной системой счисления, где Р = 10 и используются арабские цифры от 0 до 9.

А в то же время в электронных вычислительных машинах (или компьютерах) для записи данных и информации используется двоичная система счисления. Понятно, что в этом случае Р = 2 и используются только 2 символа: 0 и 1. Оба этих символа носят название двоичных единиц.

В позиционной системе счисления любое число представляется суммой произведений коэффициентов на основание системы счисления Р в степени, соответствующей местоположению цифры в числе. Здесь коэффициенты и есть те цифры, из которых состоит число.

Для простоты понимания вопроса ограничимся пока представлением лишь целых чисел. При этом первой справа цифре числа соответствует позиция «0», второй – «1» и т.д.

В общем случае любое число A, состоящее из m знаков в целой части, в позиционной системе счисления с основанием P будет записано в следующем виде:

 

A = a_m–1P _m–1 + … + a₁P₁ + a₀P ₀,

 

где

нижние индексы 0…m – 1 определяют позицию (местоположение) цифры в записи числа.

 

Например, десятичное число 469 можно представить в виде суммы:

 

469 = 4 · 10² + 6 · 10¹ + 9 · 10⁰

 

Слева от знака равенства число записано в сокращенной записи, а справа – в виде суммы степеней десятки с соответствующими коэффициентами (полная запись числа).

Как видим, последовательность цифр в краткой записи числа (слева от знака «=») состоит из коэффициентов при степенях основания системы счисления: 4, 6. 9.

Чтобы представить то же число в двоичной системе счисления, сначала запишем его в виде суммы чисел, каждое из которых равно некоторой степени двойки:

 

469 = 256 + 128 + 64 + 16 + 4 +1

 

Как известно,

 

256 = 2⁸, 128 = 2⁷, 64 = 2⁶, 32 = 2⁵, 16 = 2⁴, 8 = 2³, 4 = 2², 2 = 2¹, 1 = 2⁰.

 

Значит,

 

469 = 1 · 2⁸ + 1 · 2⁷ + 1 · 2⁶ + 0 · 2⁵ + 1 · 2⁴ + 0 · 2³ + 1 · 2² + 0 · 2¹+ 1 · 2⁰.

 

Если теперь выпишем последовательность коэффициентов перед степенями двойки, получим двоичный код десятичного числа 469:

 

1 1 1 0 1 0 1 0 1

 

Приведём примеры записи десятичных чисел в двоичной системе.

 

Десятичная запись числа	Двоичный код
0	0
1	1
2	10
3	11
4	100
5	101
10	1010
20	10100
100	1100100

 

Рассматривая двоичный код десятичных чисел, можно заметить, что у чётных чисел двоичный код оканчивается на 0, а у нечётных – на 1.

Кроме рассмотренных систем счисления в информатике иногда используются и другие:

     восьмеричная (используются цифры 0, 1, ..., 7);

     шестнадцатеричная (для первых целых чисел от нуля до девяти используются цифры 0, 1, ..., 9, а для следующих чисел – от десяти до пятнадцати – в качестве цифр используются символы A, B, C, D, E, F).

 

Приведём примеры записи чисел в этих системах.

Восьмеричное число:

 

357₍₈₎ = 3 · 8² + 5 · 8¹ + 7 · 8⁰ = 192 + 40 + 7 = 239 ₍₁₀₎.

 

Шестнадцатеричное число++

 

3BE(16) = 3 · 162 + 11 · 161 + 14 · 160 = 768 + 176 + 14 = 958₍₁₀₎.

 

Анализируя изложенный материал, можно сделать вывод: чтобы перевести число из одной системы счисления в другую, его следует представить в виде суммы произведений некоторых коэффициентов (выраженных в символах новой системы) на степени основания этой системы, а затем выписать значения этих коэффициентов в виде последовательности. Это и будет код числа в новой системе.

 

Вопрос 2. Количественные характеристики информации.

 

Кроме качественных характеристик информации, рассмотренных выше, информация обладает и количественными характеристиками. Их изучает специальная наука – теория информации. Важнейшим результатом теории информации является вывод о том, что в определенных, весьма широких условиях, можно, пренебрегая качественными особенностями информации, выразить ее количество числом, а следовательно, сравнивать количество информации, содержащейся в различных группах данных.

Количеством информации называют числовую характеристику информации, отражающую ту степень неопределенности, которая исчезает после получения информации.

Рассмотрим пример. Находясь осенним утром дома, мы предположили, что могут быть осадки, а могут и не быть, а если будут, то в виде снега или в виде дождя, то есть «то ли будет, то ли нет, то ли дождик, то ли снег». Затем, выглянув в окно, увидели пасмурное небо и с большой вероятностью предположили, в ближайшие часы осадки будут. То есть, после получения информации, у нас снизилось количество вариантов выбора.

Далее, взглянув на наружный термометр, мы увидели, что температура отрицательная, значит, осадки следует ожидать в виде снега. Таким образом, получив последние данные о температуре, мы получили полную информацию о предстоящей погоде и исключили все варианты выбора, кроме одного.

Приведенный пример показывает, что понятия «информация», «неопределенность», «возможность выбора» тесно связаны. Получаемая информация уменьшает число возможных вариантов выбора (т.е. неопределенность), а полная информация не оставляет вариантов вообще.

Условно все подходы к определению количества информации можно разделить на пять видов:

1)      энтропийный;

2)      алгоритмический;

3)      комбинаторный;

4)      семантический;

5)      прагматический.

 

Первые три вида дают количественное определение сложности описываемого объекта или явления. Четвертый – описывает содержательность и новизну передаваемого сообщения для получателя (пользователя) сообщения. Наконец, пятый вид обращает внимание на полезность полученного сообщения для пользователя.

 

Измерение информации: содержательный подход.

Для человека информация тесно связана с его знаниями. Рассмотрим вопрос с этой точки зрения.

Получение новой информации приводит к расширению знаний. Если некоторое сообщение приводит к уменьшению неопределенности нашего знания, то можно говорить, что такое сообщение содержит информацию.

Отсюда следует вывод, что сообщение информативно (т.е. содержит ненулевую информацию), если оно пополняет знания человека. Например, прогноз погоды на завтра — информативное сообщение, а сообщение о вчерашней погоде неинформативно, так как нам это уже известно.

Нетрудно понять, что информативность одного и того же сообщения может быть разной для разных людей. Например: «2 x 2=4» информативно для первоклассника, изучающего таблицу умножения, и неинформативно для старшеклассника.

Но для того чтобы сообщение было информативно, оно должно быть еще понятно. Быть понятным – значит быть логически связанным с предыдущими знаниями человека. Определение «значение определенного интеграла равно разности значений первообразной подынтегральной функции на верхнем и на нижнем пределах», скорее всего, не пополнит знания и старшеклассника, так как оно ему непонятно. Для того чтобы понять данное определение, нужно закончить изучение элементарной математики и знать начала высшей.

Получение всяких знаний должно идти от простого к сложному. И тогда каждое новое сообщение будет в то же время понятным, а значит, будет нести информацию для человека. Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем сведения являются для него новыми и понятными.

Очевидно, что различать лишь две ситуации: «нет информации» — «есть информация» для измерения информации недостаточно. Нужна единица измерения, тогда мы сможем определять, в каком сообщении информации больше, а в каком – меньше.

Единица измерения информации была определена в науке, которая называется теорией информации. Эта единица носит название «бит». Ее определение звучит так: «Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза, несет 1 бит информации».

Неопределенность знаний о некотором событии — это количество возможных результатов события. Рассмотрим классический пример – подбрасывание монеты. До эксперимента мы имеем неопределённость: либо выпадет «орел», либо «решка». То есть неопределённость – два возможных исхода. После подбрасывания монеты, неопределённость уменьшается вдвое и вообще исчезает – монета упала конкретной стороной. То есть, сообщение о том, что выпал, например, «орел» несёт информацию, количество которой равно 1 биту.

Другой пример. После выполнения контрольной работы у студента имеется неопределенность, он не знает, какую оценку получил: «2», «3», «4» или «5». То есть количество возможных исходов равно 4. После объявления преподавателем результатов, он получает одно из четырех информационных сообщений: «2», «3», «4» или «5». Информационное сообщение об оценке за контрольную работу приводит к уменьшению неопределенности знания в четыре раза, так как получено одно из четырех возможных сообщений. То есть количество информации в сообщении равно 2 битам.

Если обозначить возможное количество событий, или, другими словами, неопределенность знаний N, а буквой I количество информации в сообщении о том, что произошло одно из N событий, то можно записать формулу:

 

2^I = N

 

Итак, количество информации, содержащееся в сообщении о том, что произошло одно из N равновероятных событий, определяется из решения показательного уравнения:

 

2^I = N.

 

Таким образом, при двух равновероятных исходах эксперимента

 

N = 2, I = 1 (бит), а при N = 4, I = 2 (бита).

 

Измерение информации: алфавитный подход.

Алфавитный подход – это способ измерения информации, который не связывает количество информации с содержанием сообщения.

При алфавитном подходе к определению количества информации отвлекаются от содержания информации и рассматривают информационное сообщение как последовательность знаков определенной знаковой системы.

Применение алфавитного подхода удобно прежде всего при использовании технических средств работы с информацией. В этом случае теряют смысл такие понятия, как «новые — старые», «понятные — непонятные» сведения. Алфавитный подход является объективным способом измерения информации в отличие от субъективного содержательного подхода.

Все множество используемых в языке символов будем традиционно называть алфавитом. Обычно под алфавитом понимают только буквы, но поскольку в тексте могут встречаться знаки препинания, цифры, скобки, то мы их тоже включим в алфавит. В алфавит также следует включить и пробел, т.е. пропуск между словами.

Полное количество символов алфавита принято называть мощностью алфавита. Будем обозначать эту величину буквой N. Например,

мощность алфавита из заглавных русских букв, цифр и дополнительных символов (( ) . , ! ? « « : - ; (пробел)) – равна 54.

Рассмотрим вопрос: сколько информации несет один символ в русском языке? Для простоты предположим, что каждый символ в тексте с одинаковой вероятностью может быть любым символом алфавита.

Тогда, согласно известной нам формуле 2^I =N, каждый такой символ несет I бит информации, которое можно определить из решения уравнения:

 

2^I = 54.

 

Получаем: I = 5.755 бит. Вот сколько информации несет один символ в русском тексте.

А теперь для того, чтобы найти количество информации во всем тексте, нужно посчитать число символов в нем и умножить на I. Посчитаем, например, количество информации на одной странице книги.

Пусть страница содержит 50 строк. В каждой строке – 60 символов. Значит, на странице умещается 50 x 60=3000 знаков. Тогда объем информации будет равен: 5,755бит х 3000 = 17265 бит.

Сформулируем полученный вывод. При алфавитном подходе к измерению информации количество информации зависит не от содержания, а от размера текста и мощности алфавита.

А что если алфавит состоит только из двух символов 0 и 1?

В этом случае:

 

N = 2; 2^I = N = 2; I = 1.

 

Значит, при использовании двоичной системы (алфавит состоит из двух знаков: 0 и 1) каждый двоичный знак несет 1 бит информации.

Интересно отметить, что сама единица измерения информации «бит» получила свое название от английского сочетания «binary digit» – «двоичная цифра».

Удобнее всего измерять информацию, когда размер алфавита N равен целой степени двойки. Например, если N = 16, то каждый символ несет 4 бита информации, потому что 2⁴ = 16. А если N = 32, то один символ «весит» 5 бит. Ограничения на максимальный размер алфавита теоретически не существует. Однако есть алфавит, который можно назвать достаточным. Это алфавит мощностью 256 символов. В алфавит такого размера можно поместить все практически необходимые символы: латинские и русские буквы, цифры, знаки арифметических операций, всевозможные скобки, знаки препинания.

Поскольку 256 = 2⁸, то один символ этого алфавита «весит» 8 бит. Причем 8 бит информации – это настолько характерная величина, что ей даже присвоили свое название – байт.

 

1 байт = 8 бит

 

Сегодня очень многие люди для подготовки писем, документов, статей, книг и пр. используют компьютерные текстовые редакторы. Компьютерные редакторы, в основном, работают с алфавитом размером 256 символов.

В этом случае легко подсчитать объем информации в тексте. Если 1 символ алфавита несет 1 байт информации, то надо просто сосчитать количество символов; полученное число даст информационный объем текста в байтах.

Пример. Пусть текст небольшой книжки, набранный с помощью компьютера, содержит 150 страниц, на каждой странице – 40 строк, в каждой строке — 60 символов.

Значит, страница содержит 40 x 60 = 2400 байт информации.

Объем всей информации в книге: 2400 х 150 = 360 000 байт.

 

Вопрос 3. Представление информации в ЭВМ.

 

Компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видеоинформацию. Вся информация в ЭВМ представлена в виде двоичных кодов. Как известно (из предыдущего раздела), 1 бит – это наименьшая единица информации для обозначения одного двоичного разряда, способного принимать значение 0 или 1.

Биты нумеруются справа налево, начиная с нулевого разряда. С помощью набора битов можно представить любой символ (число, букву или знак). Однако отражать данные в такой форме не совсем удобно, и биты группируются в пакеты по 8 бит. Поэтому обычно информация представляется байтами. Комбинируя возможные комбинации из 8 бит (байт), можно получить 256 (2⁸) различных кодов.

Для кодирования символов в ЭВМ используют кодовые таблицы. На сегодняшний день стандартом де-факто является таблица ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код для обмена информацией), в котором каждый символ закодирован десятичным числом (от 0 до 255):

     коды 0…31 — для специальных (управляющих) клавиш;

     коды 32…127 — для цифр, латинских букв и стандартных знаков;

     коды 128…255 — для букв национальных алфавитов и специальных знаков.

 

Кодировка согласно таблице ASCII (код принят в 1963 г.) используется в операционных системах семейства Windows, и ее часто называют кодировкой CP-1251 (Code Page — кодовая страница). Также существуют кодировки CP-866 (для DOS) и КОИ-81 (для Unix). В настоящее время широко распространилась альтернативная кодовая таблица (в стандарте Unicode), позволяющая представить большее количество символов. В ней на каждый символ отводится 2 байта, поэтому можно закодировать 65 536 (216) различных символов.

Графическая информация (в отличие от текстовой) представляется на экране в виде растрового изображения, которое формируется из определенного количества строк, содержащих определенное количество точек (пикселей), имеющих свой цвет, заданный специальным кодом. В процессе кодирования изображения производится его пространственная дискретизация — построение изображения из большого количества отдельных цветных точек.

Иначе кодируется звуковая информация. Любая звуковая волна имеет непрерывно меняющиеся частоту и амплитуду. При увеличении амплитуды сигнала усиливается громкость звука, а при увеличении его частоты повышается тональность. Для обработки в ЭВМ звуковая (аналоговая) информация кодируется в виде последовательности цифровых импульсов в процессе дискретизации звука. Дискретизация — это преобразование непрерывных звуков (или изображений) в набор дискретных значений в закодированной форме.

Для представления числовой информации используется двоичная система счисления. В ЭВМ применяются две формы представления чисел:

1)      в естественной форме (с фиксированной запятой) все числа изображаются в виде последовательности цифр с постоянным положением запятой, отделяющей целую часть от дробной, например, 12 345,6789. Эта форма наиболее проста, естественна, но имеет небольшой диапазон представления чисел и поэтому не всегда применима при вычислениях;

2)      в вещественной форме (с плавающей запятой) каждое число изображается в виде двух групп цифр: мантиссы (абсолютная величина которой должна быть меньше 1) и порядка (целое число).

 

Например, числу 2 000 000 в естественной форме соответствует число 0,2Е7 в вещественной форме, где 0,2 — мантисса числа, а 7 — порядок числа (степень, в которую надо возвести основание системы счисления (в нашем примере – 10) для получения исходного числа – 0,2 · 107 = 2 000 000). Эта форма представления имеет огромный диапазон отображения чисел и является основой в современных ЭВМ.

В персональном компьютере могут обрабатываться поля постоянной и переменной длины. Размеры полей постоянной длины:

     полуслово — 1 байт;

     слово — 2 байта;

     двойное слово — 4 байта;

     расширенное слово — 8 байт.

 

Числа с фиксированной запятой чаще всего имеют формат полуслова или слова, числа с плавающей запятой — формат двойного или расширенного слова. Поля переменной длины могут иметь любой целый размер от 1 до 256 байт.

Для измерения «емкости» памяти используются биты и байты. В современных ЭВМ используются производные единицы измерения информации:

     1 килобайт (КБайт — КБ) = 2¹⁰ байт = 1024 байта;

     1 мегабайт (МБайт — МБ) = 2²⁰ байт = 1024 KБ = 1 048 576 байт;

     1 гигабайт (ГБайт — ГБ) = 2³⁰ байт = 1024 МБ;

     1 терабайт (ТБайт — ТБ) = 2⁴⁰ байт = 1024 ГБ;

     1 петабайт (ПБайт — ПБ) = 2⁵⁰ байт = 1024 ТБ;

     1 экзабайт (ЭБайт — ЭБ) = 2⁶⁰ байт = 1024 ПБ;

     1 зеттабайт (ЗБайт — ЗБ) = 2⁷⁰ байт = 1024 ЭБ;

     1 йоттабайт (ЙБайт — ЙБ) = 2⁸⁰ байт = 1024 ЗБ.

 

В физике термин «кило» означает 1000, а в информатике — 1024, так как это число более естественно для вычислительных машин, которые в основе своей арифметики используют число 2 (как человек применяет 10). Поэтому числа 10, 100, 1000 и т.д. удобны для человека, а числа 2, 4, 8, 16, …, 1024 (2¹⁰) и т.д. «удобны» для ЭВМ.

Например, одна страница стандартного машинописного текста формата А4 содержит примерно 3 KБ информации, а цветная фотография размером 10 см х 15 см – около 8 МБ (в несжатом виде).

 

Вопрос 4. Элементы алгебры логики.

 

В цифровой технике для передачи информации используются сигналы (кодовые слова), которые поступают на вход каждого узла ЭВМ, а на выходе при этом образуются новые сигналы (кодовые слова), представляющие собой результат обработки входных слов. Поэтому можно говорить, что выходное слово есть функция, для которой входной сигнал является аргументом. Такие функции называются функциями алгебры логики.

Как и в классической математике, для задания функций алгебры логики обычно используется два способа:

1)      аналитический, когда функция записывается формулой; этот способ позволяет определять значения функций для отдельных комбинаций аргументов;

2)      табличный, когда строится таблица истинности, содержащая всевозможные сочетания значений аргументов и соответствующие им значения функций.

 

Поскольку цифровые вычислительные машины оперируют только информацией, представленной в виде набора двоичных цифр «0» и «1», то действия, выполняемые над ней, отличаются от общепринятых.

Основы алгебры логики, разработанные в XIX веке английским математиком Джорджем Булем, базируются на использовании только двух переменных: a и b. Алгебра логики (Булева алгебра) основана на трех операциях:

1.  Конъюнкция (логическое умножение) — операция «И», определяемая четырьмя правилами:

 

0 и 0 = 0; 0 и 1 = 0; 1 и 0 = 0; 1 и 1 = 1.

 

3.  Дизъюнкция (логическое сложение) — операция «ИЛИ», определяемая четырьмя правилами:

 

0 или 0 = 0; 0 или 1 = 1; 1 или 0 = 1; 1 или 1 = 1.

 

4.  Инверсия (логическое отрицание) — операция «НЕ», когда значение переменной изменяется на обратное (противоположное), то есть определяемая двумя правилами:

 

не 0 = 1; не 1 = 0.

 

Логические преобразования осуществляются в компьютере с помощью специальных логических устройств (элементов). Так как существует три основных логических операции, то выделяют три базовых логических элемента: «И», «ИЛИ», «НЕ» (рис. 1).

 

Рис. 1. Обозначения базовых логических элементов

 

Кроме того, существуют различные нестандартные элементы, представляющие собой комбинации базовых элементов, например, элемент Шеффера, элемент Пирса (рис. 2).

 

Рис. 2. Обозначения нестандартных логических элементов

 

Принцип работы каждого логического элемента поясняется аналитически (формулой) или таблицей истинности, указывающей значение функции при заданных значениях переменных. В современных ЭВМ все логические элементы реализуются в виде специальных микросхем, которые выполняют определенные функции.

 

Вопросы для самопроверки:

1.      Что такое система счисления?

2.      В чем разница между позиционными и непозиционными системами счисления?

3.      Перечислите известные системы счисления.

4.      Что такое основание системы счисления?

5.      Как перевести запись числа из одной системы счисления в другую?

6.      Что изучает алгебра логики?

7.      Перечислите основные логические операции.

8.      Что такое «таблица истинности»?

9.      Как хранятся графические изображения в памяти компьютера?

10.  Что такое кодовая таблица компьютера?

 

Литература по теме:

 

1.  Симонович С.В. Информатика. Базовый курс: учебник для вузов. – 3-е изд. – СПб.: Питер, 2016.

2.  Гуриков С.Р. Информатика: учебник. – М.: Инфра-М, Форум, 2017.

3.  Хлебников А.А. Информационные технологии: учебник. – М.: Кнорус, 2014. – 472 с.

4.  Беляев М.А., Малинина Л.А., Лысенко В.В. Основы информатики: учебник для вузов http://www.rulit.me/books/osnovy-informatiki-uchebnik-dlya-vuzov-read-210823-1.html

 

Практические задания:

 

1.  Расставьте термины напротив их определений. Термины: система счисления, алфавит системы счисления, мощность алфавита, основание системы счисления.

 

Термин	Определение
Основание системы счисления	количество цифр, используемых при записи чисел
	набор цифр, используемых при записи чисел и правила записи чисел
	набор цифр, используемых при записи чисел
	количество знаков в алфавите позиционной системы счисления

 

2.  Заполните пустые клетки таблицы последовательными числами в системах счисления с основанием 2, 8, 16.

 

Основание системы счисления	Запись чисел
10	50; 100; 200; 500
2
8
16

 

3.  Переведите следующие числа из двоичной системы счисления в десятичную:

а)      100101;

б)      110011;

в)      110011;

г)       100010;

д)      111000.

 

4.      Какое количество информации содержит сообщение о выпадении грани с числом 3 на шестигранном игральном кубике?

5.      Заполните таблицу вычисленными значениями логических операций при А = 1 и В = 0.

 

Операция	Результат вычисления
не А	0
А или неВ
А и В
В и неА
А или В

 

Тема 3. Технические средства (hardware)

 

Цель и задачи: рассмотреть аппаратное обеспечение. Изучить его основные характеристики.

 

Вопрос темы:

1.  Определение, назначение, структура.

2.  Состав персонального компьютера.

3.  Основные характеристики современных компьютеров.

 

Вопрос 1. Определение, назначение, структура.

 

Электронно-вычислительная машина или компьютер (англ. computer – вычислитель) – это программируемое электронное устройство, предназначенное для обработки информации, то есть способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи: ввод исходных данных и вывод результатов, построение изображений, диаграмм и графиков, синтезировать звук и т.д.

Классическая структура компьютера, используемая до наших дней, была разработана в 1946 году американским ученым Джоном фон Нейманом. Эта структура получила имя своего создателя. Схема компьютера по фон Нейману представлена на рис. 3.

 

 

Рис. 3. Схема компьютера по фон Нейману

 

В состав ЭВМ входят 5 основных устройств:

1.  Устройство ввода служит для ввода исходной информации.

2.  Устройство вывода служит для вывода результатов вычислений из памяти.

3.  Арифметико-логическое устройство (АЛУ) служит для выполнения арифметических и логических операций над числами.

4.  Запоминающее устройство (ЗУ) служит для приема, хранения и выдачи чисел.

5.  Устройство управления (УУ) служит для управления работой всего компьютера в процессе вычислений.

 

Основной принцип работы ЭВМ был предложен также Джоном фон Нейманом и получил название принципа программного управления. Этот принцип гласит, что переработка машиной исходных данных в конечный результат производится в соответствии с заранее составленной и введенной в машину программой – заранее заданной, четко определенной последовательности арифметических, логических и других операций.

Джон фон Нейман также сформулировал основную концепцию логической организации ЭВМ (хранения команд компьютера в его собственной внутренней памяти), что послужило огромным толчком к развитию электронно-вычислительной техники.

Работы по созданию ЭВМ проводились и в Советском Союзе. Так в декабре 1948 г. советские ученые И. С. Брук и Б. И. Рамеев получили первое в СССР авторское свидетельство на изобретение цифровой ЭВМ.

К настоящему времени разработано большое количество типов компьютеров – от миниатюрных вычислительных устройств, применяемых в самых различных областях техники, до суперкомпьютеров, производящих с высочайшей скоростью обработку больших объемов информации, например, расчеты траектории баллистических ракет, моделирование процессов ядерных реакций или обработку данных большого адронного коллайдера (БАК – ускоритель заряженных частиц, построенный в Европейском Центре ядерных исследований, является самой крупной экспериментальной установкой в мире). Компьютеры различаются по назначению, мощности, размерам, элементной базе и т.д.

Наиболее распространенным типом ЭВМ в настоящее время является персональный компьютер (англ. personal computer), предназначенный для использования одним пользователем (персоной) в текущий момент времени. Конечно, в разное время такой компьютер могут использовать различные персоны. К персональным компьютерам относятся также и все виды портативных компьютеров – ноутбуки, планшеты и пр.

 

Вопрос 2. Состав персонального компьютера.

 

Персональный компьютер (ПК) – универсальная техническая система. При необходимости его конфигурацию (состав оборудования) можно изменять для соответствия большинству решаемых задач. Начиная с 1999 г. в области персональных компьютеров действует международный сертификационный стандарт. Он регламентирует принципы классификации персональных компьютеров и оговаривает минимальные и рекомендуемые требования к каждой из категорий. Этот стандарт устанавливает следующие категории персональных компьютеров:

     Consumer PC (массовый ПК);

     Office PC (деловой ПК);

     Mobile PC (портативный ПК);

     Workstation PC (рабочая станция);

     Entertainmemt PC (развлекательный ПК).

 

Типовая (минимально необходимая) конфигурация персонального компьютера в настоящее время содержит следующие типовые устройства:

     системный блок;

     монитор;

     клавиатура;

     манипулятор типа «мышь».

 

Системный блок содержит в себе средства ввода/вывода информации (частично), обработки информации (процессор), хранения информации (жесткие диски, оперативная память) (рис. 4).