Учебное пособие по информатике
.pdfМинистерство образования и науки Российской федерации
ГОУВПО Тульский государственный педагогический университет имени Л. Н. Толстого
О. В. Родионова, А. Н. Шмелев
ИНФОРМАТИКА
Учебное пособие
Тула
2011
ББК 32.81я73
Р60
Рецензенты:
доктор физико-математических наук, профессор Н. М. Добровольский (ТГПУ им. Л. Н. Толстого);
кандидат физико-математических наук, доцент В. С. Ванькова (ТГПУ им. Л. Н. Толстого)
Родионова, О. В.
Р60 Информатика: Учеб. пособие / О. В. Родионова, А. Н. Шмелев.– Тула: Контур, 2011.– 182 с.
Данное учебное пособие разработано для студентов обучающихся по специальностям ГОСВПО 3 поколения: 051000 «Экономика и управление», 100100 «Сервис», 020400 «Биология», 030600 «История», 034700 «Документоведение и архивоведение», 032700 «Филология», 033300 «Религиоведение», 035300 «Искусства и гуманитарные науки», 040400 «Социальная работа», 040700 «Организация работы с молодежью», 050100 «Педагогическое образование», 080200 «Менеджмент», 100400 «Туризм», 110400 «Агрономия», 110800 «Агроинженерия».
В учебном пособии рассмотрены понятия информации и информатики, вопросы: арифметические основы ЭВМ, логические основы ЭВМ, устройство компьютера, программное обеспечение компьютера, моделирование и формализация, алгоритмизация и программирование, системы программирования, информационные системы, локальные и глобальные сети ЭВМ, защита информации, системы искусственного интеллекта. В конце каждой темы имеются контрольные вопросы, позволяющие лучше закрепить изученный материал.
ББК 32.81я73
© О. В. Родионова, А. Н. Шмелев, 2011
2
СОДЕРЖАНИЕ
ТЕМА 1. ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАТИКА................................................. |
5 |
|
1. |
Понятие информации ......................................................................................... |
5 |
2. |
Классификация видов информации .................................................................. |
7 |
3. |
Методы получения и свойства информации.................................................... |
9 |
4. |
Информатика, как наука .................................................................................. |
10 |
ТЕМА 2. АРИФМЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ ............................................. |
11 |
|
1. |
Меры информации синтаксического уровня ................................................. |
11 |
2. |
Меры информации семантического уровня................................................... |
15 |
3. |
Меры информации прагматического уровня................................................. |
15 |
4. |
Позиционные системы счисления................................................................... |
16 |
5. |
Двоичная система счисления........................................................................... |
18 |
6. |
Восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления............................ |
19 |
7. |
Классификация данных.................................................................................... |
21 |
8. |
Представление элементарных данных ........................................................... |
21 |
9. |
Представление чисел в компьютере ............................................................... |
22 |
10. Кодирование текстовой информации .......................................................... |
26 |
|
11. Кодирование графической информации ..................................................... |
27 |
|
12. Кодирование звуковой информации............................................................. |
28 |
|
ТЕМА 3. ЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭВМ ......................................................... |
30 |
|
1. |
Логика высказываний....................................................................................... |
30 |
2. |
Логические операции ....................................................................................... |
31 |
3. |
Логические формулы........................................................................................ |
32 |
4. |
Логические схемы и таблицы истинности ..................................................... |
33 |
5. |
Законы логики ................................................................................................... |
35 |
6. |
Таблицы истинности ........................................................................................ |
36 |
7. |
Триггеры ............................................................................................................ |
37 |
8. |
Сумматор ........................................................................................................... |
39 |
ТЕМА 4. УСТРОЙСТВО КОМПЬЮТЕРА ....................................................... |
41 |
|
1. |
История создания вычислительной техники ................................................. |
41 |
2. |
Архитектура фон Неймана .............................................................................. |
47 |
3. |
Поколения компьютеров.................................................................................. |
49 |
4. |
Устройство персонального компьютера ........................................................ |
52 |
5. |
Основная (внутренняя) память........................................................................ |
59 |
6. |
Внешние запоминающие устройства (ВЗУ) .................................................. |
60 |
ТЕМА 5. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЬЮТЕРА .................. |
70 |
|
1. |
Понятие программного обеспечения .............................................................. |
70 |
2. |
Базовый уровень программного обеспечения ............................................... |
71 |
3. |
Системный и служебный уровни программного обеспечения .................... |
73 |
4. |
Прикладной уровень программного обеспечения......................................... |
76 |
ТЕМА 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ..................................... |
79 |
|
1. |
Понятие модели. Моделирование ................................................................... |
79 |
2. |
Классификация моделей .................................................................................. |
80 |
3
3. |
Информационные модели................................................................................ |
84 |
4. |
Этапы моделирования ...................................................................................... |
85 |
ТЕМА 7. АЛГОРИТМИЗАЦИЯ И ПРОГРАММИРОВАНИЕ ....................... |
87 |
|
1. |
Понятие алгоритма ........................................................................................... |
87 |
2. |
Свойства алгоритмов........................................................................................ |
88 |
3. |
Элементы теории алгоритмов ......................................................................... |
89 |
3. |
Формы представления алгоритма .................................................................. |
90 |
4. |
Организация потока управления действиями алгоритма ............................. |
92 |
5. |
Формализация понятия алгоритм ................................................................... |
95 |
6. |
Проектирование и разработка программ..................................................... |
105 |
ТЕМА 8. СИСТЕМЫ ПРОГРАММИРОВАНИЯ ............................................ |
110 |
|
1. |
Понятие, назначение и составные элементы систем программирования .110 |
|
2. |
Классификация методов программирования ............................................... |
112 |
3. |
Основные компоненты системы программирования.................................. |
115 |
ТЕМА 9. ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ............................................... |
117 |
|
1. |
Понятие и функции информационной системы .......................................... |
117 |
2. |
Классификация информационных систем ................................................... |
119 |
3. |
Автоматизированные информационные системы....................................... |
125 |
4. |
Модели данных ............................................................................................... |
127 |
4. |
Системы информационных баз ..................................................................... |
129 |
ТЕМА 10. ЛОКАЛЬНЫЕ И ГЛОБАЛЬНЫЕ СЕТИ ЭВМ ............................ |
132 |
|
1. |
История возникновения и развития компьютерных сетей ......................... |
132 |
2. |
Классификация компьютерных сетей .......................................................... |
134 |
3. |
Организация компьютерных сетей ............................................................... |
138 |
3. |
Линии связи в локальных сетях .................................................................... |
141 |
4. |
Глобальная сеть Интернет ............................................................................. |
148 |
ТЕМА 11. ЗАЩИТА ИНФОРМАЦИИ .............................................................. |
150 |
|
1. |
Понятие информационной безопасности ..................................................... |
151 |
2. |
Угрозы информационной безопасности....................................................... |
154 |
3. |
Методы обеспечения информационной безопасности ............................... |
158 |
ТЕМА 12. СИСТЕМЫ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА ................... |
170 |
|
1. |
Понятие искусственного интеллекта ............................................................ |
170 |
2. |
Представление знаний в системах искусственного интеллекта ................ |
172 |
3. |
Функции и структура систем искусственного интеллекта......................... |
173 |
4. |
Базовые понятия и структура экспертных интеллектуальных |
|
|
систем (ЭИС)................................................................................................... |
176 |
5. |
Режимы работы экспертных систем ............................................................. |
176 |
6. |
Классификация экспертных систем.............................................................. |
177 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................... |
180 |
4
ТЕМА 1. ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАТИКА
1. Понятие информации
Информация (от лат. Informatio – разъяснение, изложение) – одно из основных понятий науки. Наряду с такими понятиями, как вещество, энергия, пространство и время, оно составляет основу современной научной картины мира.
Существует множество понятий информации, в зависимости от сферы использования:
-в быту под информацией понимают сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальными устройствами;
-в теории информации под информацией понимают сведения, которые снимают полностью или уменьшают существующую неопределенность;
-в кибернетике под информацией понимают ту часть знаний, которая используется для ориентирования, активного действия, управления, совершенствования, развития системы;
-в семантической теории под информацией понимают сведения, обладающие новизной;
-в технике под информацией понимают сообщения,
передаваемые в форме знаков или сигналов.
Си нал – изменение физической величины, передающее информацию, кодированную определённым способом. В просторечии может употребляться как синоним слова сообщение. Термин наиболее широко применяется в областях науки и техники, связанных с обработкой
ипередачей информации, в кибернетике, электронике, радиотехнике, технике связи и др.
Си нал в информационной системе и ро раммировании – набор переданных и принятых данных, передающий информацию, кодированную определённым способом. Антонимами к слову сигнал, в зависимости от контекста, являются термины шум и помеха.
Вотличие от материи и энергии, подчиненных закону сохранения информация может возникать и исчезать, второе отличие заключается в том, что информация при использовании увеличивается.
Информация – это понимание (представление, интерпретация) возникающее в аппарате мышления человека, после получения им данных, взаимоувязанное с предшествующими знаниями и понятиями.
Информация передается с помощью сообщений. Соответствие между сообщением и информацией не является взаимно однозначным. Для одной
итой же информации могут существовать различные передающие ее сообщения, которые получаются добавлением неважного сообщения, не несущего никакой дополнительной информации. Сообщения, передающие
5
одну и ту же информацию, образуют класс эквивалентных сообщений. Обратно, одно и то же сообщение может передавать различную информацию, в зависимости от интерпретации сообщения («настройки приемника»).
Информация является абстрактной категорией и связана с процессом познания человеком окружающего мира. Однако ряд ее особенностей приближает информацию к материальному миру: информацию можно получить, записать, передать, продать, купить, своровать, уничтожить, в конце концов, она может устареть.
Информация не может существовать без наличия источника и потребителя информации. Основной источник и потребитель информации – это человек, поэтому можно сказать, что существует столько видов информации, сколько органов чувств у человека.
Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозначений, несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде.
Люди получают информацию из данных. Данные имеют материальную природу – их можно создать или уничтожить, размножить и переместить. Данные можно сравнивать между собой по содержанию и различать тождественные и нетождественные данные. Но результат, полученный при воспроизведении информации из данных, зависит не только от их содержания, но и от логического контекста, в котором происходит это воспроизведение. Даже тождественные данные, воспроизведенные в разном контексте, дают нетождественную информацию.
Данные – это составная часть информации. Они представляют собой зарегистрированные сигналы. Физический метод регистрации может быть любым. В зависимости, от выбранного метода записи данные могут храниться и транспортироваться на носителях различных видов. Данные материальны, как материален мир, окружающий нас, и объективны, как объективны все материальные объекты.
Данные всегда связаны со своим носителем (телом или полем). Вместе с ним они могут храниться (только для тел), транспортироваться и воспроизводиться. При воспроизведении данных образуется информация.
Цели получения информации, условия этого получения, и характеристики субъекта или объекта, воспроизводящего информацию включает в себя информационный метод. Понятие информационного метода удобно для научных задач информатики, потому что оно позволяет анализировать общие и особенные свойства разных методов, выявлять между ними связи, например наследственные.
Информационный метод – это обобщенная характеристика целей, условий и обстоятельств интер ретации данных.
Информационные методы могут быть
6
1.Естественными, которые делятся:
-врожденные информационные методы основаны на системе чувств восприятия субъекта и на мышлении;
-риобретенные методы являются результатом обучения (для человека) или адаптации (для человека и животных).
2.Искусственными, их действие зависит от настройки оборудования
или программ, а также от свойств аппаратной и программной среды,
вкоторых они функционируют, они разделяются на:
-а аратные;
-ро раммные.
Опираясь на определение данных и понятие информационного метода, мы можем дать естественнонаучное определение информации.
Информация – это результат взаимодействия данных и информационных методов, рассматриваемый в контексте этого взаимодействия.
Рассматриваемая в таком контексте информация – это динамический объект. Она существует ровно столько, сколько длится само взаимодействие. Сразу по его окончании информация либо утрачивается, либо вновь сохраняется в форме данных, но не обязательно тождественно равных исходным.
2. Классификация видов информации
Научная информация наиболее полно отражает объективные закономерности природы, общества и мышления.
По областям применения информация бывает олитическая,
техническая, еда о ическая, физическая, экономическая и т. п.
По ее общественной значимости информация может быть личная,
с ециальная, массовая (общественная).
Существует также информация управления, которая в свою очередь делится на:
-роизводственную, связанную с управлением людьми;
-техническую, связанную с управлением техническими
объектами.
По форме информация подразделяется представления на два вида:
-дискретная форма представления информации – это последовательность символов, характеризующая прерывистую, изменяющуюся величину (количество дорожно-транспортных происшествий, количество тяжких преступлений и т. п.);
-анало овая или не рерывная форма представления информации
– это величина, характеризующая процесс, не имеющий перерывов или промежутков (температура тела человека,
скорость автомобиля на определенном участке пути и т. п.). По области возникновения выделяют информацию:
-элементарную (механическую), которая отражает процессы, явления неодушевленной природы;
7
-биоло ическую, которая отражает процессы животного и растительного мира;
-социальную, которая отражает процессы человеческого общества.
По способу передачи и восприятия различают следующие виды информации:
-визуальную, передаваемую видимыми образами и символами;
-аудиальную, передаваемую звуками;
-тактильную, передаваемую ощущениями;
-ор аноле тическую, передаваемую запахами и вкусами;
-машинную, выдаваемую и воспринимаемую средствами
вычислительной техники.
По способам кодирования выделяют следующие типы информации:
-символьную, основанную на использовании символов – букв, цифр, знаков и т. д. Она является наиболее простой, но практически применяется только для передачи несложных сигналов о различных событиях;
-текстовую, основанную на использовании комбинаций символов. Здесь так же, как и в предыдущей форме, используются символы: буквы, цифры, математические знаки.
Однако информация заложена не только в |
этих символах, |
но и в их сочетании, порядке следования; |
|
- рафическую, основанную на использовании |
произвольного |
сочетания в пространстве графических примитивов. К этой форме относятся фотографии, схемы, чертежи, рисунки, играющие большое значение в деятельности человек.
Место возникновения. По этому признаку информацию можно разделить на: входную, выходную, внутреннюю, возникающую внутри объекта, внешнюю – за пределами объекта. Одна и та же информация может являться входной для одной фирмы, а для другой, ее вырабатывающей, выходной. По отношению к объекту управления (фирма или ее подразделение: цех, отдел, лаборатория) информация может быть определена как внутренняя, так и внешняя.
По стадии обработки информация может быть:
-ервичной – возникающей непосредственно в процессе деятельности объекта и регистрируемой на начальной стадии;
-вторичной – получаемой в результате обработки первичной информации;
-ромежуточной, эта информация используется в качестве исходных данных для последующих расчетов;
-результатной, которая получается в процессе обработки первичной и промежуточной информации и используется для
выработки управленческих решений.
По фактору стабильности информация может быть:
8
-еременной (текущей), отражающей фактические количественные и качественные характеристики. Она может меняться для каждого случая как по назначению, так и по количеству;
-остоянной (условно-постоянной) – это неизменная и многократно используемая в течение длительного периода времени информация. Постоянная информация может быть справочной, нормативной, плановой.
3. Методы получения и свойства информации
Информация о любом материальном объекте может быть получена путем наблюдения за этим объектом, вычислительного эксперимента над ним или путем логического вывода.
Для осмысления и оценки получаемой информации человек проверяет ее на наличие следующих свойств.
Атрибутивные свойства – это те свойства, без которых информация не существует. К данной категории свойств относится:
-неотрывность информации от физическо о носителя и языковая рирода информации. Одно из важнейших направлений информатики как науки является изучение особенностей различных носителей и языков информации, разработка новых, более совершенных и современных.
-дискретность. Содержащиеся в информации сведения, знания – дискретны, т.е. характеризуют отдельные фактические данные, закономерности и свойства изучаемых объектов, которые распространяются в виде различных сообщений, состоящих из линии, составного цвета, буквы, цифры, символа, знака.
-не рерывность. Информация имеет свойство сливаться с уже зафиксированной и накопленной ранее, тем самым, способствуя
поступательному развитию и накоплению.
Пра матические свойства – это свойства, характеризующие степень полезности информации для пользователя, потребителя и практики. Проявляются в процессе использования информации. К данной категории свойств относится:
-смысл и новизна. Это свойство характеризует перемещение информации в социальных коммуникациях, и выделяет ту ее часть, которая нова для потребителя.
-олезность. Уменьшение неопределенности сведений об объекте. Дезинформация расценивается как отрицательные значения полезной информации.
-ценность. Ценность информации различна для различных потребителей и пользователей.
-кумулятивность. Характеризует накопление и хранение информации.
9
-полнота. Характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся.
-достоверность. Данные возникают в момент регистрации
сигналов, но не все сигналы являются «полезными» – всегда присутствует какой-то уровень посторонних сигналов, в результате чего полезные данные сопровождаются определенным уровнем «информационного шума».
-адекватность – это степень соответствия реальному объективному состоянию дела.
-досту ность (мера возможности получить ту или иную информацию).
-актуальность (степень соответствия информации текущему моменту времени).
-объективность и субъективность. Понятие объективности информации является относительным. Это понятно, если учесть, что методы являются субъективными. Более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят
меньший субъективный элемент.
Динамические свойства – это те свойства, которые характеризуют изменение информации во времени:
-рост информации. Движение информации в информационных коммуникациях и постоянное ее распространение и рост определяют свойство многократного распространения или повторяемости.
-старение. Информация подвержена влиянию времени.
4. Информатика, как наука
Первоначально информатика, являясь базой библиотечного дела, занималась изучением структуры и общих свойств научной информации, передаваемой посредством научной литературы. Термин "информатика" происходит от французского Informatique. В англоязычной литературе можно встретить другой термин, обозначающий ту же отрасль человеческой деятельности – Computer Science.
Информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации, информационных процессов, разработкой на этой основе информационной техники и технологии, а также решением научных проблем создания, внедрения и эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной практики.
Как комплексная научная дисциплина информатика связана со следующими науками:
-Философия и психология (учение об информации и теории познания);
10