Введение

Информационные технологии, использующие современные средства связи и вычислительной техники, вносят революционные изменения во все сферы деятельности человека: промышленное и сельскохозяйственное производство, транспорт, связь, медицина, образование, научные исследования, домашний быт. Основой таких технологий является автоматизированная система обработки информации и управления (АСОИУ).

Под АСОИУ понимают кибернетическую человеко-машинную систему, основанную на комплексном использовании математических методов и технических средств обработки информации для решения задач управления в различных областях народного хозяйства.

АСОИУ имеет сложную структуру и включает в себя математическое, информационное и техническое обеспечение.

Математическое обеспечение представляет собой совокупность методов, алгоритмов и программных средств, применяемых для автоматизированного управления.

Под информационным обеспечением понимают множество информационных элементов, рассматриваемых в аспектах их состава, структуры, возникновения, хранения, передачи и использования.

Техническое обеспечение АСОИУ – это технические средства, осуществляющие сбор, передачу, обработку, отображение, ввод и хранение информации.

Проектирование АСОИУ – сложный и длительный процесс. Будущим разработчикам АСОИУ требуется усвоить массу знаний, приобрести множество умений и навыков, изучая социально – гуманитарные, математические и технические дисциплины. Важнейшей из таких дисциплин является “Информатика”, которой отводится основополагающая и интегрирующая функция в обучении по специальности 220200 “Автоматизированные системы обработки информации и управления”.

Методическое пособие включает материал первой части курса “Информатика” и состоит из четырех разделов. В первом разделе рассмотрены основные понятия кибернетики и информатики. Во втором разделе приведены способы кодирования информации, применяемые в ЭВМ. В третьем разделе даны основные понятия схемотехники. В четвертом разделе рассмотрены функциональные части ЭВМ и процессы взаимодействия процессора с памятью при выполнении машинных команд и программ. В приложении приводится список вопросов для повторения учебного материала, а также задачи для самостоятельного решения.

1. Кибернетика и информатика

Большое сходство процессов управления в различных по своей природе и структуре системах не осталось без внимания ученых. Было установлено, что все процессы управления, где бы они ни протекали и как бы они ни были разнообразны, подчиняются одним и тем же общим объективным законом. Изучение этих законов составляет предмет специальной науки об управле-нии – кибернетики.

Термин “кибернетика” происходит от греческого слова кибернетес – рулевой, кормчий, управляющий. 2000 лет тому назад древнегреческий философ Платон назвал кибернетикой искусство управления кораблем. Долгое время этим термином не пользовались. Около пятидесяти лет назад американский математик Норберт ВИНЕР снова ввел этот термин в употребление.

Известный отечественный ученый, академик А.Н. Колмогоров определил кибернетику как науку, которая “…занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить, перерабатывать информацию и использовать ее для управления и регулирования”, Другой крупный ученый академик В.М. Глушков определил кибернетику как науку об общих законах преобразования информации в сложных системах.

Рассмотрим структуру кибернетической системы (КС), состоящей из регулируемого органа, регулирующего органа и каналов прямой и обратной связи (рис.1.1). В каждой такой системе происходит обмен информацией между ее частями. Под информацией (от латинского слова informatio –разъяснение, изложение) понимают все то, что является отражением каких - либо фактов или событий о состоянии объекта и его управлении(сведения, совокупность данных, знаний).

Прямая связь

Регулируемый

объект

Регулирующий

объект

Обратная связь

Рис.1.1

Технология управления в самом общем виде включает в себя следующие этапы.

Первый этап (обратная связь) – сбор и подготовка информации о состоянии регулируемого объекта. Сведения об объекте могут быть представлены в виде значений параметров, характеризующих его состояние.

Второй этап – переработка полученной информации с целью получения решений по управлению объектом. При обработке исходной информации решение может быть получено с помощью логико – математических методов. Совокупность действий, выполняемых для формирования решений по управлению объектом (управляющих предписаний), называют алгоритмом управления.

Третий этап управления (прямая связь) – выдача и доведение до исполнителей управляющих предписаний или команд, т.е. командной информации. Следует отметить, что реализация команд (исполнение), осуществляемая людьми или механизмами, не относится к процессу управления.

Таким образом, с кибернетических позиций управление – это выдача командной информации на основании решений, полученных путем переработки информации о состоянии регулируемого объекта.

Рассмотрим пример кибернетической системы. На современных самолетах для облегчения работы пилота устанавливается автоматическое устройство – автопилот. Устройство может вести самолет без участия человека, точно выдерживает заданный курс, скорость и высоту. Автопилот производит измерение (обратная связь) значений скорости, высоты полета, курса и крана и сравнение полученных значений параметров с заданными заранее пилотом. Если, например, самолет отклонится от курса, то автопилот автоматически, в соответствии с алгоритмом управления, определит, на какой угол необходимо отклонить руль, чтобы самолет лег на правильный курс, и сообщит командную информацию (прямая связь) электрической рулевой машине.

Законами и методами возникновения, хранения, передачи, обработки и использования информации занимается специальных раздел кибернетики – информатика.

Рассмотрим основные категории, раскрывающие понятие информации.

Источником информации занимается материальный объект, который создает совокупность сведений о его состоянии и происходящих процессах. Совокупность сведений, создаваемых источником и подлежащих передаче, называется сообщением. Поэтому источник информации часто называют источником сообщений.

Информация нематериальна, но она проявляется в форме материальных носителей – знаков и сигналов. Знаки (символы) – это различимые материальные объекты: буквы, слова, цифры, предметы и т.д. Сигналы – это физические процессы, протекающие в пространстве и во времени и характеризующиеся изменениями физических величин любой природы: напряжения, яркости источника (маяк) и т.д. Знаки используются при хранении (т.е. при передаче информации во времени), а сигналы – при передаче информации в пространстве и во времени.

Сообщения состоят из последовательности знаков и сигналов. Они несут информацию адресату – получателю информации.

Передача информации осуществляется по каналу связи, под которым понимают среду и совокупность средств, с помощью которых передаются сообщения.

Множество знаков или сигналов, из которых строятся сообщения, называется алфавитом. Информация может быть заключена как в самих знаках, так и в их взаимном расположении.

Информация может быть представлена в двух формах: непрерывной и дискретной. В первом случае сигналы, несущие сообщение, состоят из плавно и непрерывно меняющихся величин. Если же сигналы представляют собой отдельные порции (символы, точки, тире и т.д.), то это уже дискретная форма представления информации.

Знаки и сигналы в сообщениях несут информацию только для получателя, способного их распознать. Это значит, что адресат предварительно должен быть подготовлен для приема сообщений, в которых использован тот или иной алфавит.

Процесс отождествления знаков с объектами и отношениями в реальном мире называется кодированием, а правило, по которому объектам ставятся в соответствии знаки и сигналы – кодом (от латинского codex – свод законов). Под кодом также понимают совокупность условных знаков (и их комбинации), каждому из которых присваивается определенное значение. Процесс, обратный кодированию, называется декодированием.

Под количеством информации понимают меру снятия неопределенности в процессе получения сигнала адресатом. Например, Р.Хартли в 1928 году предложил степень неопределенности опыта с m исходами характеризовать числом: H(X) = log m.

Таким образом, если в результате получения информации число исходов уменьшается до n, то количество информации в полученном сообщении определяется выражением:

I(X)=log(m)-log(n)