информатика

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Тема 1. Информатика и информационные технологии.

1.1. Введение

Информатика – это наука и учебная дисциплина о закономерностях работы с информацией, методах ее преобразования, хранения и передачи средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ими.

Информатика изучает свойства, структуру и функции информационных систем, а также происходящие в них информационные процессы.

Информационная система – это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации для достижения цели управления. Информационный процесс – это процесс, в результате которого осуществляется восприятие, накопление, хранение, поиск, обработка и распространение информации.

Дисциплина «Информатика» в ВУЗе имеет целью ознакомить студентов с основами современных информационных технологий и тенденциями их развития. С этой точки зрения «Информатика» служит базой для специализированных дисциплин, направленных на изучение современных информационных технологий в областях будущей профессиональной деятельности.

Из определения информатики также видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информационной технологией. Информационная технология (ИТ) – совокупность методов и программно-технических средств, обеспечивающая сбор, обработку, хранение, распределение и отображение данных для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления. Цель ИТ – производство информации для ее анализа человеком и принятия на его основе решения по выполнению какого-либо действия.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

программное обеспечение средств вычислительной техники;

средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Как видно из этого списка, в информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие – интерфейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппаратно-программные интерфейсы.

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.

Информатика как наука объединяет группу дисциплин, занимающихся изучением различных аспектов свойств информации в информационных процессах, а также применением алгоритмических, математических и программных средств для ее обработки с помощью компьютеров.

Информатика – практическая наука. Ее достижения должны проходить подтверждение практикой и приниматься в тех случаях, когда они соответствуют критерию повышения эффективности.

В информатике все жестко ориентировано на эффективность. Вопрос, как сделать ту или иную операцию, для информатики является важным, но не основным. Основным же является вопрос, как сделать данную операцию эффективно.

Информатика как индустрия – это инфраструктурная отрасль народного хозяйства, обеспечивающая все другие отрасли необходимыми информационными ресурсами. Индустрия информатики включает в себя предприятия, производящие вычислительную технику и ее элементы; вычислительные центры различного типа и назначения; осуществляющие производство программных средств и проектирование информационных систем; организации, накапливающие, распространяющие и обслуживающие фонды алгоритмов и программ; станции обслуживания вычислительной техники.

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

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

Данные — это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки ее техническими средствами, например, ЭВМ.

Технологии, опишем составные части «ядра» современной информатики. Каждая из этих частей может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина; взаимоотношения между ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и математическим анализом в классической математике - все они хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, части одной науки.

Теоретическая информатика - часть информатики, включающая ряд математических разделов. Она опирается на математическую логику и включает такие разделы как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и другие. Этот раздел информатики использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации.

Вычислительная техника - раздел, в котором разрабатываются общие принципы построения вычислительных систем. Речь идет не о технических деталях и электронных схемах (это лежит за пределами информатики как таковой), а о принципиальных решениях на уровне, так называемой, архитектуры вычислительных (компьютерных) систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классическими решений в этой области - неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной (многопроцессорной) обработки информации.

Программирование - деятельность, связанная с разработкой систем программного обеспечения. Здесь отметим лишь основные разделы современного программирования: создание системного программного обеспечения и создание прикладного программного обеспечения. Среди системного - разработка новых языков программирования и компиляторов к ним, разработка интерфейсных систем (пример - общеизвестная операционная оболочка и система Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные - система обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных. В каждой области предметных приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ более узкого назначения.

Информационные системы - раздел информатики, связанный с решением вопросов по анализу потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации. Информационно-справочные системы, информационно-поисковые системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации (включая широко известный Internet) в последнее десятилетие XX века привлекают внимание все большего круга пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться. Известным примером решения проблемы на глобальном уровне может служить гипертекстовая поисковая система WWW, а на значительно более низком уровне - справочная система, к услугам которой мы прибегаем, набрав телефонный номер 09'.

Искусственный интеллект - область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Как научить компьютер мыслить подобно человеку? - Поскольку мы далеко не все знаем о том, как мыслит человек, исследования по искусственному интеллекту, несмотря на полувековую историю, все еще не привели к решению ряда принципиальных проблем. Основные направления разработок, относящихся к этой области - моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознавание образов и другие.

1.2. Информатика как единство науки и технологии

Информатика - отнюдь не только «чистая наука». У нее, безусловно, имеется научное ядро, но важная особенность информатики - широчайшие приложения, охватывающие почти все виды человеческой деятельности: производство, управление, науку, образование, проектные разработки, торговлю, финансовую сферу, медицину, криминалистику, охрану окружающей среды и др. И, может быть, главное из них - совершенствование социального управления на основе новых информационных технологий.

Информатика тесно связана с кибернетикой, но не тождественна ей. Кибернетика изучает общие закономерности процессов управления сложными системами в разных областях человеческой деятельности независимо от наличия или отсутствия компьютеров. Информатика же изучает общие свойства конкретных информационных систем.

Когда разрабатываются новые носители информации, каналы связи, приемы кодирования, визуального отображения информации и многое другое, конкретная природа этой информации почти не имеет значения. Для разработчика системы управления базами данных (СУБД) важны общие принципы организации и эффективность поиска данных, а не то, какие конкретно данные будут затем заложены в базу многочисленными пользователями. Эти общие закономерности есть предмет информатики как науки.

Объектом приложений информатики являются самые различные науки и области практической деятельности, для которых она стала непрерывным источником самых современных технологий, называемых часто «новые информационные технологии» (НИТ). Перечислим наиболее впечатляющие реализации информационных технологий, используя, ставшие традиционными, сокращения.

АСУ - автоматизированные системы управления; Например, в образовании используются системы АСУ-ВУЗ.

АСУТП - автоматизированные системы управления технологическими процессами. Например, такая система управляет работой станка с числовым программным управлением (ЧПУ), процессом запуска космического аппарата и т.д.

АСНИ - автоматизированная система научных исследований;

АОС - автоматизированная обучающая система;

САПР-система автоматизированного проектирования

1.3 Системы счисления

Система счисления - принятый способ записи чисел и сопоставления этим записям реальных значений. Все системы счисления можно разделить на два класса: позиционные и непозиционные. Для записи чисел в различных системах счисления используется некоторое количество отличных друг от друга знаков. Число таких знаков в позиционной системе счисления называется основанием системы счисления. В позиционной системе счисления число может быть представлено в виде суммы произведений коэффициентов на степени основания системы счисления:

A_nA_n-1A_n-2 … A₁,A₀,A_-1,A_-2 =

А_nВⁿ + A_n-1B^n-1 + ... + A₁B¹ + А₀В⁰ + A_-1B^-1 + А_-2В^-2 + ...

(знак «точка» отделяет целую часть числа от дробной; знак «звездочка» здесь и ниже используется для обозначения операции умножения). Таким образом, значение каждого знака в числе зависит от позиции, которую занимает знак в записи числа. Именно поэтому такие системы счисления называют позиционными.

23,43(₁₀) = 2*10¹ + З*10° + 4*10^-1 + З*10^-2

692(₁₀) = 6* 10² + 9*10¹ + 2.

1101(₂)= 1*2³ + 1*2²+0*2¹+ 1*2°;

112(₃) = l*3²+ 1*3¹ +2*3°;

341,5(₈) =3*8²+ 4*8¹ +1*8° +5*8^-1;

A1F4(₁₆) = A*16² + 1*16¹ + F*16° + 4*16^-1.

При работе с компьютерами приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисления (чаще всего двоичную, десятичную и шестнадцатиричную), поэтому большое практическое значение имеют процедуры перевода чисел из одной системы счисления в другую. Заметим, что во всех приведенных выше примерах результат является десятичным числом, и, таким образом, способ перевода чисел из любой позиционной системы счисления в десятичную уже продемонстрирован.

Отметим, что кроме рассмотренных выше позиционных систем счисления существуют такие, в которых значение знака не зависит от того места, которое он занимает в числе. Такие системы счисления называются непозиционными. Наиболее известным примером непозиционной системы является римская. В этой системе используется 7 знаков (I, V, X, L, С, D, М), которые соответствуют следующим величинам:

1(1) V(5) X(10) L(50) С (100) D(500) M(1000)

Примеры: III (три), LIX (пятьдесят девять), DLV (пятьсот пятьдесят пять).

Недостатком непозиционных систем, из-за которых они представляют лишь исторический интерес, является отсутствие формальных правил записи чисел и, соответственно, арифметических действий над ними.

Таблицы сложения в других системах счисления.

Таблицы сложения в других системах счисления легко составить, используя Правило Счета.

Сложение в восьмеричной системе

                

Сложение в шестнадцатеричной системе

ПРАВИЛО При сложении цифры суммируются по разрядам, и если при этом возникает избыток, то он переносится влево.

Материалы для семнарской работы обучающегося

Практическая работа 1. Система счисления.

1. Переведите следующие числа из десятичной системы в двоичную систему счисления

1) 322₁₀ 2) 283₁₀ 3) 315₁₀ 4) 176₁₀

5) 150₁₀ 6) 428₁₀ 7) 181₁₀ 8) 7006₁₀

9) 2001₁₀

2. Переведите следующие числа из десятичной системы в восьмеричную систему счисления.

1) 322₁₀ 2) 283₁₀ 3) 315₁₀ 4) 176₁₀ 5) 150₁₀ 6) 428₁₀ 7) 181₁₀ 8) 7006₁₀ 9) 2001₁₀

3. Переведите следующие числа из десятичной системы в шестнадцатеричную систему счисления.

1) 322₁₀ 2) 283₁₀ 3) 315₁₀ 4) 176₁₀ 5) 150₁₀ 6) 428₁₀ 7) 181₁₀ 8) 7006₁₀ 9) 2001₁₀

4. Переведите следующие числа из соответствующей системы счисления в десятичную.

1) 10100011₂ 2) 1001001₂ 3) 11101₂ 4) 11011001₂

5) 1101011₂ 6) 1110111₂ 7) 555₈ 8) 636₈ 9) 237₈

10) 235₈ 11) 731₈ 12) 354₈ 13) 91₁₆ 14) 4D₁₆

15) 5A3₁₆ 16) 235₁₆ 17) 7C1₁₆ 18) F54₁₆

5. Переведите следующие числа

1) 11110110011₂ 2) 1101101001001₂ 3) 1001101011001₂

4) 11011111011₂ 5) 1010111011101₂ 6) 1110111101011₂

Задания к самостоятельной работе студентов

1. Переведите числа в десятичную систему счисления

11100₂ 110010₂ 1000100₂ 101101₂ 100010₂ 10111₂ 1100011₂ 101011₂ 100111₂ 110100 1100101₂ 110001₂ 153₈ 39₁₆ 203₈

5С₁₆ 127₈ 113₁₆ 215₈ 4Е₁₆

106₈ 2С₁₆ 224₈ 108₁₆

2. Переведите десятичные числа в указанную систему счисления

55₁₀ = Х₂ 55₁₀ = Х₈ 100₁₀ = Х₂ 55₁₀ = Х₁₆ 93₁₀ = Х₂ 88₁₀ = Х₈ 64₁₀ = Х₂ 111₁₀ = Х₁₆ 128₁₀ = Х₂ 165₁₀ = Х₈ 47₁₀ = Х₂

165₁₀ = Х₁₆ 75₁₀ = Х₂ 94₁₀ = Х₈ 88₁₀ = Х₂ 182₁₀ = Х₁₆ 60₁₀ = Х₂ 100₁₀ = Х₈ 111₁₀ = Х₂ 90₁₀ = Х₁₆ 97₁₀ =Х₂ 162₁₀ = Х₈ 86₁₀ = Х₂ 170₁₀ = Х₁₆

3. Переведите числа в десятичную систему счисления

11100₂ 110010₂ 1000100₂ 101101₂ 100010₂ 10111₂ 1100011₂ 101011₂ 100111₂ 110100₂ 1100101₂ 110001₂ 153₈ 39₁₆ 203₈

5Е₁₆ 127₈ 113₁₆ 215₈ 4В₁₆

106₈ 2С₁₆ 224₈ 108₁₆

4. Переведите восьмеричные и шестнадцатеричные числа в двоичную систему счисления:

a) 266₈; 266₁₆; b) 1270₈; 2A19₁₆; c) 0,23₈; 0,23₁₆; d) 23,45₈; 23,45₁₆.

5. Осуществить перевод чисел по схеме A₁₀ →A₁₆ →A₂ →A₈:

a) 16 547₁₀; b) 21 589₁₀; c) 8 512₁₀; d) 7 756₁₀; e) 5 043₁₀; f) 2 323₁₀.

Практическая работа 2. Перевод чисел из одной система в другую.

Вариант 1. Выполнить перевод координат в десятичную систему счисления и отметить точку на координатной плоскости. Правильно сделав перевод и соединив последовательно все точки, получите рисунок.

№ точки	Двоичная		№ точки	Двоичная
	x	y		x	y
1	11	101	15	1101	110
2	11	110	16	1101	101
3	100	110	17	1100	101
4	100	111	18	1100	100
5	101	111	19	1011	100
6	101	1000	20	1011	11
7	110	1000	21	1010	11
8	110	110	22	1010	101
9	1010	110	23	110	101
10	1010	1000	24	110	11
11	1011	1000	25	101	11
12	1011	111	26	101	100
13	1100	111	27	100	100
14	1100	110	28	100	101

Вариант 2. Необходимо принять за начало отсчёта точку А(40;0), а за единичный отрезок 10мм.

№ точки	Двоичная		№ точки	Двоичная
	x	y		x	y
1	101000	1010	9	1010000	110010
2	10100	10100	10	1010000	101000
3	110010	10100	11	1011010	101000
4	110010	11110	12	1011010	11110
5	111100	11110	13	1100100	11110
6	111100	101000	14	1100100	10100
7	1000110	101000	15	1101110	10100
8	1000110	110010	16	1101110	1010

Вариант 3. точка А(20;30).

№ точки	Двоичная		№ точки	Двоичная
	x	y		x	y
1	100000	101000	11	100110	101101
2	100000	101001	12	100110	101110
3	100001	101001	13	100111	101110
4	100001	101101	14	100111	101000
5	11110	101101	15	100101	101000
6	11110	101111	16	100101	101001
7	100000	101111	17	100110	101001
8	100000	110000	18	100110	101010
9	100001	110000	19	100010	101010
10	100001	101101	20	100010	101000

Практическая работа 3. Основные арифметические действия

Вариант №1 1. 53(10)=х(2) 2. 43(10)=х(16) 3. 10(10)=х(8) 4. 1001(2)=х(10) 5. 123(8)=х(10) 6. 10010011(2)=х(8) 7. 1A(16)=х(10) 8. 12С(16)=х(2)=х(8) 9. 1110101(2)+1111(2)= 10. 1110101(2)+1001(2)= 11. 1110101(2)-1111(2)= 12. 1101(2)*1111(2)= 13. 123(8)+12(8)= 14. 125(8)-11(8)= 15. 16D(16)+12(16)=	Вариант №2 1. 51(10)=х(2) 2. 42(10)=х(16) 3. 17(10)=х(8) 4. 127(8)=х(10) 5. 1010(2)=х(10) 6. 10010101(2)=х(8) 7. 1С(16)=х(10) 8. 12D(16)=х(2)=х(8) 9. 1110101(2)+1111(2)= 10. 1100101(2)+1111(2)= 11. 1100101(2)-1111(2)= 12. 1111(2)*1111(2)= 13. 125(8)+12(8)= 14. 127(8)-11(8)= 15. 13B(16)+15(16)=	Вариант №3 1. 49(10)=х(2) 2. 45(10)=х(16) 3. 12(10)=х(8) 4. 11000101(2)=х(8) 5. 1101(2)=х(10) 6. 120(8)=х(10) 7. 1Е(16)=х(10) 8. 12A(16)=х(2)=х(8) 9. 1110101(2)+1111(2)= 10. 1110011(2)+1111(2)= 11. 1110111(2)-1111(2)= 12. 1001(2)*1111(2)= 13. 128(8)+12(8)= 14. 129(8)-11(8)= 15. 17A(16)+17(16)=
Вариант №4 1. 123(8)+12(8)= 2. 43(10)=х(16) 3. 10(10)=х(8) 4. 1001(2)=х(10) 5. 123(8)=х(10) 6. 10010011(2)=х(8) 7. 1A(16)=х(10) 8. 12С(16)=х(2)=х(8) 9. 1110101(2)+1111(2)= 10. 1110101(2)+1001(2)= 11. 1110101(2)-1111(2)= 12. 1101(2)*1111(2)= 13. 53(10)=х(2) 14. 125(8)-11(8)= 15. 16D(16)+12(16)=	Вариант №5 1. 1010(2)=х(10) 2. 42(10)=х(16) 3. 17(10)=х(8) 4. 127(8)=х(10) 5. 13B(16)+15(16)= 6. 10010101(2)=х(8) 7. 1С(16)=х(10) 8. 12D(16)=х(2)=х(8) 9. 1110101(2)+1111(2)= 10. 1100101(2)+1111(2)= 11. 1100101(2)-1111(2)= 12. 1111(2)*1111(2)= 13. 125(8)+12(8)= 14. 127(8)-11(8)= 15. 51(10)=х(2)	Вариант №6 1. 128(8)+12(8)= 2. 45(10)=х(16) 3. 12(10)=х(8) 4. 11000101(2)=х(8) 5. 1101(2)=х(10) 6. 120(8)=х(10) 7. 1Е(16)=х(10) 8. 12A(16)=х(2)=х(8) 9. 1110101(2)+1111(2)= 10. 1110011(2)+1111(2)= 11. 1110111(2)-1111(2)= 12. 1001(2)*1111(2)= 13. 49(10)=х(2) 14. 129(8)-11(8)= 15. 17A(16)+17(16)=