Курс_лекций_Информатика

2

6

основе решений и их выполнения. С появлением современных средств вычислительной техники информация стала выступать в качестве одного из важнейших ресурсов научно-технического прогресса.

Информация содержится в человеческой речи, текстах книг, журналов и газет, сообщениях радио и телевидения, показаниях приборов и т. д. Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств, хранит и перерабатывает се с помощью мозга и центральной нервной системы. Передаваемая информация обычно касается каких-то предметов или нас самих и связана с событиями, происходящими в окружающем нас мире.

Термин «информация» происходит от латинского informatio — разъяснение, изложение,

осведомленность. Энциклопедический словарь (М.: Сов. энциклопедия, 1990) определяет информацию в исторической эволюции: первоначально — сведения, передаваемые людьми устным, письменным или другим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т. д.); с середины XX века — общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире (передача признаков от клетки к клетке, от организма к организму).

Наиболее общее определение имеет место в философии, где под информацией

понимается отражение реального мира.

Более узкое определение дается в технике, где:

ИНФОРМАЦИЯ – это все сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. С понятием информации связаны такие понятия, как сигнал,

сообщение и данные.

Сигнал (от латинского signum — знак) представляет собой любой процесс, несущий информацию.

Данные — это информация, представленная в формализованном виде и предназна-

ченная для обработки ее техническими средствами, например, ЭВМ.

Сообщение — это информация, представленная в определенной форме и предназначенная для передачи.

Различают две формы представления информации — непрерывную и дис-

кретную. Поскольку носителями информации являются сигналы, то в качестве последних могут использоваться физические процессы различной природы. Например, процесс протекания электрического тока в цепи, процесс механического перемещения тела, процесс распространения света и т. д. Информация представляется (отражается) значением одного или нескольких параметров физического процесса (сигнала), либо комбинацией нескольких параметров.

Сигнал называется непрерывным, если его параметр в заданных пределах может

принимать любые промежуточные значения. Сигнал называется дискретным, если его

параметр в заданных пределах может принимать отдельные фиксированные значения.

Следует также различать непрерывность или дискретность сигнала по уровню и во времени. Все многообразие окружающей нас информации можно сгруппировать по различным при-

знакам, т. е. классифицировать по видам. Например, в зависимости от области возникновения информацию, отражающую процессы и явления неодушевленной природы, называют элементарной, процессы животного и растительного мира — биологической, человеческого общества — социальной.

По способу передачи и восприятия различают следующие виды информации: визуальную — передаваемую видимыми образами и символами, аудиальную — звуками, тактильную — ощущениями, органолептическую — запахами и вкусом, машинную — выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, и т. д.

КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ В ЭВМ.

Сигнал всегда несёт в себе какое-то количество информации. Сколько это в цифрах? Как это узнать. Об этом говорит следующее определение:

Количеством информации называют числовую характеристику сигнала, отражающую ту степень неопределенности (неполноту знаний), которая исчезает после получения

сообщения в виде данного сигнала.

Эту меру неопределенности в теории информации называют энтропией.

Если в результате получения сообщения достигается полная ясность в каком-то вопросе, говорят, что была получена полная или исчерпывающая информация и необходимости в получении дополнительной информации. И, наоборот, если после получения сообщения неопределенность осталась прежней, значит, информации получено не было (нулевая информация).

Приведенные рассуждения показывают, что между понятиями информация, неопределенность и возможность выбора существует тесная связь. Так, любая неопределенность предпо-

7

лагает возможность выбора, а любая информация, уменьшая неопределенность, уменьшает и возможность выбора. При полной информации выбора нет. Частичная информация уменьшает число вариантов выбора, сокращая тем самым неопределенность.

Пример. Человек бросает монету и наблюдает, какой стороной она упадет. Обе стороны монеты равноправны, поэтому одинаково вероятно, что выпадет одна или другая сторона. Такой ситуации приписывается начальная неопределенность, характеризуемая двумя возможностями. После того, как монета упадет, достигается полная ясность и неопределенность исчезает (становится равной нулю).

Приведенный пример относится к группе событий, применительно к которым может быть поставлен вопрос типа « да-нет».

Количество информации, которое можно получить при ответе на вопрос типа

«да-нет», называется битом (англ. bit — сокращенное от binary digit — двоичная еди-

ница). Бит —минимальная единица количества информации, ибо получить информацию меньшую, чем 1 бит, невозможно. При получении информации в 1 бит неопределенность уменьшается в 2 раза. Таким образом, каждое бросание монеты дает нам информацию в 1 бит.

В цифровых ЭВМ информация представляется в виде набора Бит (1 или 0), позволяющих описывать различную информацию.

Рассмотрим на примере электрической лампочки применение единицы информации Бит. Включенное состояние лампочки обозначим цифрой 1, а выключенное — цифрой 0.

Рассмотрим систему из двух электрических лампочек, которые независимо друг от друга могут быть включены или выключены. Передача информации по 1 лампе называется одноразрядной, так как применяется только 1 электрический провод. Для такой системы возможны, например, следующие состояния:

Лампа А: 0011, Лампа В: 0101.

Чтобы получить полную информацию о состоянии системы, необходимо задать два вопроса типа « да-нет» — по лампочке А и лампочке В соответственно. В этом случае количество информации, содержащейся в данной системе, определяется уже в 2 бита, информация передается по 2 проводам в виде 2 разрядов, а число возможных состояний системы равно 4. Если взять три лампочки (три разряда), то необходимо задать уже три вопроса и получить 3 бита информации. Количество состояний такой системы равно 8 и т. д.

Связь между количеством информации и числом состояний системы уста-

Первые ЭВМ в основном для передачи своей информации использовали 8 разря-

дов (проводов). Поэтому в ЭВМ в качестве основной единицы измерения информа-

ции была взята группа из 8 битов информации и она называется байтом, то есть информация, которая может быть передана одновременно по 8 проводам (разря-

дам). Бит — минимальная единица информации, Байт ее основная единица. Существуют

производные единицы информации: Килобайт (Кбайт, Кб), Мегабайт (Мбайт, Мб), Гигабайт (Гбайт, Гб), Терабайт (Тбайт, Тб).

Кодирование числовой информации

В вопросах организации обработки информации с помощью ЭВМ важное место занимают системы счисления, формы представления данных и специальное кодирование чисел с помощью набора бит (байт).

Совокупность приемов кодирования и записи чисел называется счислением.

Под системой счисления понимается способ представления любого числа с помощью ограниченного алфавита символов, называемых цифрами. Счисление представляет со-

бой частный случай кодирования, где слово, записанное с использованием определенного алфавита и по определенным правилам, называется кодом. Применительно к счисле-

нию - это код числа.

Различают позиционные и непозиционные системы счисления. В непозиционных сис-

темах счисления каждое число обозначается соответствующей совокупностью символов. Характерным представителем непозиционных систем является римская система счисления со слож-

8

ным способом записи чисел и громоздкими правилами выполнения арифметических операций. Например, запись MCMXCVIII означает, что записано число 1998 (М — тысяча, С — сто, Х — десять, V — пять, I — единица и т. д.).

Позиционные системы счисления обладают большими преимуществами в наглядности представления чисел и в простоте выполнения арифметических операций.

Впозиционной системе счисления значение числа определяется не только набором входящих

внего цифр, но и их местом (позицией) в последовательности цифр, изображающих это число, например, числа 127 и 721.

Позиционной является десятичная система счисления, используемая в повседневной жизни. Помимо десятичной существуют другие позиционные системы счисления, и некоторые из них нашли применение в информатике.

Основной системой кодирования чисел в ЭВМ является двоичная система счис-

ления, то есть представление чисел с помощью двух чисел: 0 и 1. Пример представ-

ления чисел в десятичной и двоичной системе счисления представлен в таблице 1.

Таблица 1

Современные ЭВМ обрабатывают не только числовую, но и текстовую, или алфавитноцифровую, информацию, содержащую буквы, цифры, знаки препинания, математические и другие символы. Именно такой характер имеет экономическая, плановая и учетная информация, а также тексты программ на алгоритмических языках.

Представление текстовой информации в ЭВМ

Для представления алфавитно-цифровой информации используется один байт. С помощью байта можно закодировать 28=256 символов (табл.2). Большое

распространение в России для представления символьной информации в ЭВМ получили кодировочные таблицы: KOI8-R (Oперационная система (ОC) - Unix), CP1251 (OC - Ms Windows), ISO 8859-5 (Интернет), 866 кодовая страница (ОС – Ms DOS).

Символьная информация представляет собой последовательность знаков, представленных в различных кодировках. Например, фамилия Брякалов Г. А. занимает 13 байтов,

как это показано в табл.2.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ

Информационные процессы (сбор, хранение, передача и обработка информации)

всегда играли важную роль в науке, технике и жизни общества. В ходе эволюции человече-

ства просматривается устойчивая тенденция к автоматизации этих процессов, хотя их внутреннее содержание по существу осталось неизменным.

Сбор информации — это деятельность субъекта, в ходе которой он получает сведения об интересующем его объекте. Сбор информации может производиться или человеком, или с помощью технических средств и систем — аппаратно, в ручном, полуавтоматическом или автоматическом режимах. Например, пользователь может получить информацию о движении поездов или самолетов сам, изучив расписание, или же от другого человека непосредственно, либо через какие-то документы, составленные этим человеком, или с помощью технических средств (автоматической справки, телефона и т. д.). Задача сбора информации не может быть решена в отрыве от других задач, — в частности, задачи обмена информацией (передачи).

Обмен информацией — это процесс, в ходе которого источник информации ее передает, а получатель — принимает. Если в передаваемых сообщениях обнаруже-

ны ошибки, то организуется повторная передача этой информации. В результате обмена информацией между источником и получателем устанавливается своеобразный « информационный баланс», при котором в идеальном случае получатель будет располагать той же информацией, что и источник. Для обнаружения ошибок можно использовать два метода:

10

ции с целью снижения трудоемкости процессов использования информационного ресурса, а также повышения их надежности и оперативности.

ЭТАПЫ ПОДГОТОВКИ И РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ НА ЭВМ

На ЭВМ могут решаться задачи различного характера, например: научно-инженерные; разработки системного программного обеспечения; обучения; управления производственными процессами и т. д. В процессе подготовки и решения на ЭВМ можно выделить следующие этапы:

постановка задачи; математическое описание задачи; выбор и обоснование метода решения; алгоритмизация вычислительного процесса; составление программы; отладка программы; решение задачи на ЭВМ и анализ результатов. В различных за-

дачах некоторые этапы могут отсутствовать. Рассмотрим их.

1.Постановка задачи. На данном этапе формулируется цель решения задачи и подробно описывается ее содержание. Анализируются характер и сущность всех величин, используемых в задаче, и определяются условия, при которых она решается. Корректность постановки задачи является важным моментом, так как от нее в значительной степени зависят другие этапы.

2.Математическое описание задачи. Настоящий этап характеризуется математической формализацией задачи, при которой существующие соотношения между величинами, определяющими результат, выражаются посредством математических формул. Так формируется математическая модель явления с определенной точностью, допущениями и ограничениями. При этом в зависимости от специфики решаемой задачи могут быть использованы различные разделы математики и других дисциплин.

3.Выбор и обоснование метода решения. Модель решения задачи с учетом ее особенностей должна быть доведена до решения при помощи конкретных методов решения. Само по себе математическое описание задачи в большинстве случаев трудно перевести на язык машины. Выбор и использование метода решения задачи позволяет привести решение задачи к конкретным машинным операциям. При обосновании выбора метода необходимо учитывать различные факторы и условия, в том числе точность вычислений, время решения задачи на ЭВМ, требуемый объем памяти и другие.

4.Алгоритмизация вычислительного процесса. На данном этапе составляется алгоритм решения задачи согласно действиям, задаваемым выбранным методом решения. Процесс обработки данных разбивается на отдельные относительно самостоятельные блоки, и устанавливается последовательность выполнения блоков.

5.Составление программы. При составлении программы алгоритм решения задачи переводится на конкретный язык программирования. Для программирования обычно используются языки высокого уровня, поэтому составленная программа требует перевода ее на машинный язык ЭВМ. После такого перевода создается машинная программа.

6.Отладка программы. Отладка заключается в поиске и устранении синтаксических и логических ошибок в созданной программе.

7.Решение задачи на ЭВМ и анализ результатов. После отладки программы ее можно ис-

пользовать для решения прикладной задачи. При этом выполняется многократное решение задачи на ЭВМ для различных наборов исходных данных. Получаемые результаты анализируются пользователем, поставившим задачу. Разработанная программа длительного использования устанавливается на ЭВМ в виде готовой к выполнению машинной программы. К программе прилагается документация, включая инструкцию для пользователя.

ЛЕКЦИЯ : ЭВМ - СРЕДСТВО ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

При рассмотрении ЭВМ, как средства обработки информации важную роль играют понятие архитектуры ЭВМ, классификация ЭВМ, структура и принципы функционирования ЭВМ и состав программного обеспечения.

АРХИТЕКТУРА ЭВМ

С середины 60-х годов вместо независимой разработки аппаратуры и программ стала проектироваться система, состоящая из совокупности аппаратных (hardware) и программных (software) средств. На первый план выдвинулась концепция их взаимодействия. Так возникло принципиально новое понятие — архитектура ЭВМ.