Информатика [РТФ, Андреев, 1 семестр] / 1 семестр (лекции & экз)

1. Наука Информатика. Поколения ЭВМ. Информатика – наука, изучающая все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации. Информация - описание реального мира сделанного в определенной знаковой системе.

Поколения ЭВМ:

1. 1949-1958гг. Элементная база: электрические лампы и электромагнитное реле, быстродействие 3*10^5 опер в секунду. Недостатки: габаритные размеры, элементы обладают низкой надежностью, дополнительные требования по охлаждению, большое потребление

2. 1959-1963гг. Существенно уменьшили габаритный размер, работа с меньшими токами, более высокая частота работы, высокая надежность, повышение скорости работы, быстродействие 3*10^6 опер в сек. Появляется язык высокого уровня- фортран, упростили программирование задач.

3. 1964-1976гг. Появляются полупроводниковые интегральные микросхемы . Еще большая миниатюризация, уменьшения потребления мощности, повышение быстродействия элементной базы 3*10^7 опер в сек, дальнейшая высокая надежность. Прием конвейерного выполнения команд (Быстродействие). Появление БД и САПР.

4. 1977 по настоящее время. Элементная база: сверх-большие интегральные схемы . Быстродействие 3*10^8 опер в сек, миниатюрная элементная база, высокая надежность, снижение дальнейшего потребления мощности. Появ. компьютерные сети

1. Классификация ЭВМ. Обобщенная структура персонального компьютера. Классификация: - ЭВМ общего применения (ПК); - ЭВМ специального назначения; Структура ПК: - ЦП (Центральный процессор); - ОП (оперативная память); - КВВ (контроллер ввода - вывода); - ПВВ (порты ввода - вывода); - Тактовый генератор; - Сопроцессор (повышение производительности);

2. Организация центрального процессора ЭВМ. ЦП - это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет основные логические и арифметические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера. ЦП состоит из: - УУ - устройство управления расшифровывает команды управления; - РОН - регистры общего назначения (быстрая опер. память); - ИБ - интерфейсный блок; - АЛУ - арифметико-логическое устройство;

3. Организация памяти ЭВМ. Память в ЭВМ используется для хранения данных и команд (программ). Адресная память представляет собой набор ячеек, объем которой измеряется количеством ячеек. Каждая ячейка имеет свой адрес.

4. Система ввода/вывода ЭВМ. Предназначена для ввода-вывода информации.

   1. Программно-ориент. метод. Работу осуществляет ЦП. Дост: простота интерф. элем.. Недост: отвлекаются ресурсы ЦП (снижается производительность)..

   2. Режим «прямого доступа к памяти». Дост: ресурсы ЦП не отвлекаются, не снижается производительность, высокая производительность работы, управляется соответствующими контроллерами. Недост:более высокая стоимость.

5. История развития программного обеспечения ЭВМ. Программное обеспечение вычислительной машины – это совокупность программ и документации на них, позволяющих осуществить автоматизированную обработку информации на ЭВМ. Первые ЭВМ были доступны исключительно программистам. Поэтому исторически первым типом ПО стали системы программирования. На машинах первого поколения языков программирования не существовало. Программисты работали на языке машинных кодов, что было весьма сложно. ЭВМ первого и второго поколений были приспособлены, прежде всего, для выполнения математических расчетов. Для вычисления этих функций программисты создавали стандартные программы, к которым производили обращения из своих расчетных программ. Стандартные программы хранились все вместе на внешнем носителе. Такое хранилище называлось библиотекой стандартных программ. Библиотеки стандартных программ (БСП) — первый вид программного обеспечения ЭВМ. В эпоху второго поколения ЭВМ распространяются языки программирования высокого уровня (ЯПВУ). ЯПВУ сделали программирование доступным не только для профессиональных программистов. Программировать стали многие научные работники, инженеры, студенты различных специальностей и даже школьники. В программное обеспечение ЭВМ включаются трансляторы с ЯПВУ. Понятие системы программирования в современном виде возникло в период третьего поколения ЭВМ, когда программисты для разработки программ стали пользоваться терминальным вводом (клавиатурой и дисплеем). В состав систем программирования были включены текстовые редакторы для ввода и редактирования программы и отладчики, позволяющие программисту исправлять ошибки в программе в интерактивном режиме.

7. Системное программное обеспечение.

   1. Утилиты OS (отдельные самост. программы)

   2. OS: - Управление ресурсами ЭВМ; - Реализация Чел-машин. интерфейса;

8. Инструментальное программное обеспечение. Инструментальное ПО используется для создания программных средств, обеспечивающих решение задач любой программной области. Система программирования:

   1. Средство создания (текстовый ред.);

   2. Анализ синтаксиса текста;

   3. Преобразования (компиляции);

9. Прикладное программное обеспечение. Прикладное ПО ориентировано на практическое применение (Текстовые редакторы, граф. редакторы, СУБД).

10. Структура обобщенной операционной системы. Любая система состоит из ядра и транзитной части. Ядро постоянно находится в оперативной памяти и обеспечивает функционирование основных компонентов аппаратной среды, обработку запросов на обслуживание и обслуживание активных вычислительных процессов в ЭВМ. Транзитная часть находится на жестком диске и загружается в оперативную память по мере необходимости.

11. Особенности операционной оболочки Windows 3.1 Windows 3.1 - Системная оболочка для MS-DOS. Функции:

    1. Мультизадачный режим работы;

    2. Оптимальное управление ресурсами ПК;

    3. Граф. интерфейс;

    4. Наличие техники встраивания и связывания объектов (copy - paste);

    5. Возможность работы в сетевой среде;

12. Особенности операционной системы Windows 95. Функции:

    1. Граф. интерфейс;

    2. Мультизадачность;

    3. Автоматическая настройка устройств;

    4. Развитие мультимедиа;

    5. Возможности для людей с огран. возм;

13. Методология проектирования программных продуктов. Объектно-ориентированное проектирование: - Выделение классов объектов; - Установление характерных свойств объектов и методов их обработки; - Создание иерархии классов; Структурное проектирование:

    1. Нисходящее проектирование: - Последовательное разложение; - Общие функции обработки данных на простые функц. элементы;

    2. Модульное программирование: Функциональные элементы объединены в модули по следующим критериям: - 1 вход и 1 выход; - Функциональная завершенность; - Логическая независимость; - Обозримый по размеру и сложности программный элемент;

    3. Структурное программирование: Основан на модульной структуре, используются блок схемы (прямоугольники, ромбы).

14. Процедура архивации файлов. Непрерывный и самораспаковывающийся архивы. Архивация - сжатие файлов, создание архивных файлов с последующим разархивированием. Степень сжатия: Уменьшение объема достигается удалением повторяющихся участков данных кода. - Текстовые и граф. данные (5 - 40 % от исходного) - Исполняемые файлы (60 - 90 % от исходного) Виды архивов: - Самораспаковывающийся - представляет собой объединенные сжатые данные и программу для их разархивации. - Непрерывный - сжимается одним непрерывным потоком данных. Долгое редактирование по сравнению с остальными.

15. Сервисные программы для восстановления поврежденных файлов и дисков. Дефекты диска:

    1. Физическое нарушение магнитной поверхности диска: - Износ; - Перегрев; - Воздействие магнитного поля;

    2. Логические нарушения: - Аварийное отключение питания; - При зависании программ; - Воздействие вирусов;

16. Сервисные программы для устранения фрагментации дисков.

Типы фрагментирования: - Чередование свободных и занятых секторов диска; - Части одного файла находятся в разных частях диска; - Смешанный (1 и 2);

Фрагментация увеличивает износ диска. Дефрагментация - процесс расположения всей информации на диске упорядоченно.

17. Характеристика компьютерных вирусов. Компьютерный вирус - программа, способная внедриться в ЭВМ для создания помех в её работе и нанесения ущерба. Виды вирусов разделяют по:

    1. Среда обитания: - Сетевые; - Файловые; - Загрузочные;

    2. Способ заражения: - Используют оперативную память для заражения; - Не используют;

    3. Воздействие: - Не опасные (помехи без вреда); - Опасные (Замедление работы, зависания); - Очень опасные (Вывод из строя OS);

    4. Особенности алгоритмов: - Паразитические; - Репликаторы; - Невидимки; - Троянские;

18. Программы защиты от вирусов. Детекторы - имеют вирусную базу, в которой находится информация о компьютерных вирусах. Эти программы проверяют, имеется ли в файлах на указанном пользователем диске специфическая для данного вируса комбинация байтов. Доктора - принцип работы как у детектора с возможностью лечения и удаления вируса. Ревизоры - сначала они запоминают сведения о состоянии программ и системных областей дисков. После, с помощью программы-ревизора можно в любой момент сравнить состояние программ и системных областей дисков с исходным. Фильтры - отслеживают подозрительные действия в ЭВМ и сообщают о этих действиях. Позволяют обнаружить многие вирусы на самой ранней стадии, когда вирус еще не успел размножиться и что-либо испортить. Имунизаторы - редактируют антивирусную программу, вносят определенные изменения в файловую систему. Это резидентные программы, изменяющие прививаемый файл таким образом, чтобы вирус, против которого делается прививка, уже считал файл заражённым.

19. Классификация баз данных и их основные структурные элементы. База данных - совокупность структурированных сведений о конкретных объектах реального мира к какой либо предметной области. Система управления базой данных - комплекс программных и языковых средств для создания, ведения и организации поиска в базе данных. Классификация БД: По технологии обработки: - централизованные - элементы этой базы хранятся в одной машине; - распределенные - используется несколько ЭВМ; По способу доступа к информации: - БД с локальным доступом; - БД с удаленным или сетевым доступом; Структурные элементы БД: - Поле - элемент, неделимая единица БД. [Имя, тип поля, длина поля, погрешность, запись]; - Файл - совокупность записей БД;

20. Виды моделей данных. Иерархическая и сетевая модели. Модель данных - это совокупность структур данных и операций их обработки. Иерархическая модель: Объекты, связанные иерархическими отношениями, образуют ориентированный граф. Узел - характеризует совокупность атрибутов данных, которые описывают некоторый объект. Каждый узел на более низком уровне связан только с одним узлом, который находится на более высоком уровне. Ребро характеризует связи между этими объектами. Сетевая модель - означает представление данных в виде произвольного графа. Каждый узел расположен где угодно и может образовывать связи.

21. Реляционная модель данных. В ее основе лежит двухмерная таблица обладающая следующими свойствами: - Каждый элемент таблицы –это один элемент данных. - Все столбцы в таблице однородные, т.е. все элементы одного тип и формы. - Каждый столбец имеет уникальное имя. - Одинаковые строки в таблице отсутствуют. - Порядок следующих строк и столбцов произвольный. - Строка называется записью, столбец – полем. Поле каждого значения, которые однозначно определяют соответствующую запись, является простым ключом. Если запись однозначно определена значениями нескольких полей, то такая запись таблицы имеет составной ключ.

22. Функциональные возможности СУБД и обобщенная технология с БД. СУБД общего назначения: - Широкие функциональные возможности, для решения различных задач; - Высокая стоимость; - Избыточность; СУБД специализированная: - Высокая производительность; - Отсутствие избыточности; - Ограниченные функциональные возможности; Характеристики СУБД: 1) Производительность- оценивается время выполнения запросов, время выполнения операций обработки данных, максимальному числу одновременных обращений к данным в многопользовательском режиме. 2) Целостность данных- обеспечивается за счёт проверки корректности, соответствующего поля вводимых данных, проверки корректности связей в записях. 3) Безопасность данных достигается за счёт: 1 возможности шифрования данных, 2 защиты данных паролем,3 ограничения уровня доступа к данным. 4) Работа в многопользовательских средах обеспечивается за счёт: возможности блокировки данных, идентификации рабочей станции, контроля времени обращения к данным, сохранения логической целостности. Обобщенная технология работы с БД включает следующие этапы: 1) Создание структура таблиц баз данных - определение перечня, типов и размеров полей таблицы. 2) Ввод, редактирование данных в таблице. 3) Обработка данных - выполняется посредством запросов: запрос на выборку данных, на изменение данных, на модификацию данных. 4) Вывод информации из баз данных - результат может быть выведен в разных форматах: графический, описательный.

23. Характеристика интеллектуальных систем. Система ИИ – одно из направлений информатики, цель которого разработка программно-аппаратных средств, позволяющих решать задачи, традиционно считающиеся интеллектуальными, общаясь с ЭВМ на ограниченном подмножестве естественного языка. - 1950-е Создана первая нейронная сеть. Модель лабиринтного поиска. - 1960-е Развитие эвристических программ. - 1970-е Метод резолюции. - 1975 - Моделирование знаний в предметной области. Экспертные системы для решения узкоспециализированных задач.

24. Направления развития искусственного интеллекта. 2 направления: Нейро-кибернетика: - Любая система должна иметь строение головного мозга; - Искусственные нейронные сети; Кибернетика “черного ящика”: - Любая структура реализации; - Способность решать интеллектуальные задачи;

25. Критерии классификации знаний. Продукционная модель знаний. Данные - отдельные факты, характеризующие объекты, процессы и явления предметной области. Знания - выявленные закономерности предметной области(принципы, связи, законы), позволяющие решать задачи в этой области. Классификация знаний: - Поверхностные; - О видимых взаимосвязях; - Глубинные знания; - Процедурные знания (алгоритмы); Модели знаний: - Продукционная; - Семантические сети; - Фреймы; Продукционная модель знаний:

Продукционная модель (модель, основанная на правилах) позволяет представить знания в виде предложений, называемых продукциями, типа «Если (условие), то (действие)». Продукционная модель чаще всего применяется в промышленных экспертных системах.

26. Семантические сети и фреймы. Семантическая сеть – это ориентированный граф, вершины которого отображают некоторые понятия, а дуги – отношения между ними. Соответствуют представлению долговременной памяти человека. 3 типа отношений: - Класс (элемент класса); - Свойства (значения); - Пример (набор элементов класса);

Классификация: - Однородные(один тип отношений); - Неоднородные(разные типы отношений); - Бинарные( отношения связывают не более двух); - N-арные(связывают между собой н объектов); Фреймы - абстрактный образ или ситуация. Типы фреймов: - Фреймы образцы (хранящиеся в базе знаний); - Фреймы экземпляры (описывающие реальные ситуации);

27. Назначение, структура и классификация экспертных систем. Экспертные системы - программно-аппаратные комплексы, моделирующие опыты, знания экспертов в любой предметной области. Если большая часть знаний в предметной области представлена в виде коллективного опыта ,то эта предметная область не нуждается в экспертных системах (математика). Если большая часть знаний представлена личным опытом специалистов, то для такой предметной области эффективно создание экспертной системы (прикладные науки). Признаки классификации: - Выполняемая задача; - Связь с реальным временем; - Аппаратная платформа; - Степень интеграции

28. Технология разработки экспертных систем. Этапы разработки:

1. Выбор проблемы - Нахождение эксперта и назначение количества разработчиков - Определение предварительного подхода к решению проблемы - Анализ расходов и прибыли от разработки - Подготовка подробного плана разработки

2. Разработка прототипа

3. Доработка до промышленного применения - Пополненные новыми знаниями и правилами - Адаптация интерфейса к пользовательской среде

4. Оценка Критерии:

- критерий пользователя (понятность, удобство интерфейса)

-критерий эксперта(оценка уровня решений и пояснений к ним)

-критерий разработчиков (эффективность реализации, производительность, быстродействие, дизайн, широта охвата предметной области, непротиворечивость базы данных) 5. Стыковка разработка связи между э.с. и средой её функционирования (обучение персонала для работы с этой системой)

6. Поддержка -гарантийный ремонт

-перекодировка (перенос её на другие программные платформы)

29. Свойства искусственных нейронных сетей и сравнительная оценка ЭВМ фон Неймана и нейрокомпьютера. Искусственный нейрон в некоторой степени соответствует мозгу человека, демонстрируя группу свойств, присущих человеческому мозгу. Свойства: - Массовый параллелизм; - Распределенное представление информации и вычисления; - Способность к обучению, обобщению; - Адаптивность; - Устойчивость к ошибкам; - Низкое энергопотребление; Перечень задач: - Аппроксимация функции; - Идентификация и прогнозирование; - Классификация образов; - Оптимизация;

    Категория сравнения:	Эвм фон Неймана	Нейрокомпьютер
    Процессор	Первый сложный по архитектуре, высокая скорость обработки информации	Множество процессоров, Структура реализации простая, невысокая скорость обработки информации
    Вычисления	Централизованы и последовательны, реализация при помощи программ	Распределенные, параллельные и реализуются за счет самообучения
    Надежность	Низкая, нарушение работы	Высокая
    Память	Память отделена от процессора локализована, тип памяти: адресный	Память интегрирована в процессор, распределена по всей системе (сети), адресуется по содержанию

30. Области применения ИНС и основные этапы развития теории ИНС.

    1. С точки зрения математики ИНС-система , позволяющая описать характеристики случайных процессов.

    2. С точки зрения автомата ИНС-системы, в которых алгоритм решения задач представлен логической схемой соединения логических нейронов.

    3. С точки зрения теории управления - регулятор, настройка которого представляет собой синтез системы управления.

    4. С точки зрения информатики Инс-структура ,функционирующая на основе параллельного выполнения операций.

    5. С точки зрения вычислительной техники система с параллельным потоком команд и данных, в которых реализовано: - Упрощение процессорного элемента и усложнение связи между элементами; - Программирование перенесенного на изменение веса связи;

31. Структура технического нейрона ∑ - сумматор; φ - входные сигналы; w - веса связей; φ0 = 1 (смещение для инициализации системы) S Функция активации: y = f(s) = F( ∑(от i=1до n) φi*wi+w0) Функции для активации: -Линейная функция -Функция гиперболический тангенс F(s) =(е^s – e^-s)/(e^s + e^–s) -Сигмоидальная функция активации F(s) = 1 / (1+ e^-s) -Пороговая функция F(s)=sign(s) -Бинарная функция

32. Реализация техническим нейроном конъюнкции и дизъюнкции.

X1	X2	˄ (кон)	˅(диз)
0	0	0	0
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	1

X1,X2 ϵ {0;1} - бинарная функция активации S = X1*W1 +X2*W2 +Wo

Конъюнкция:	w1=w2=0,5; w0 = -0,6
При: X1=X2=0	S=-0,6	y=0	+
При: X1=0, X2=1	S=-0,1	y=0	+
При X1=1, X2=0	S=-0,1	y=0	+
При X1=X2=1	S=0,4	y=1	+

Дизъюнкция:	w1=w2=1; w0 = -0,6
При: X1=X2=0	S=-0,6	y=0	+
При: X1=0, X2=1	S=0,4	y=1	+
При X1=1, X2=0	S=0,4	y=1	+
При X1=X2=1	S=1,4	y=1	+

Реализация этих операций при данных весах проходит, но этих комбинаций ∞. Подбирая веса связей (w) можно реализовать операции одной и той же схемы.

33. Распределенная обработка данных в компьютерных сетях. Распределенная обработка данных – обработка, выполняемая на независимых, но связанных между компьютерах, для реализации распределения обработки данных создаются машинные ассоциации двух типов:

    1. Многомашинные вычислительные комплексы(МВК)

Небольшие группы ЭВМ (2-3 машины)объединенные с помощью специальных средств сопряжения и выполняющих единый информационный вычислительный процесс.

МВК бывают локальные(в одном помещении) и децентрализованные (элементы разделены).

2. Компьютерные вычислительные сети

Совокупность большого числа ЭВМ, соединенных с помощью каналов связи в единую систему, которая реализует распределенную обработку данных

Классы компьютерных сетей: - Глобальная ( объединяет абонентов расположенных в различных странах, использует спутниковые связи); - Региональная (территориально в одной стране, регионе, городе ,в виде радиосвязи ,либо на основе линии связи); - Локальная сеть (в рамках одной организации, проводная сеть);

34. Характеристика процесса передачи данных в локальных сетях. Состав сети: - Передатчик (устройство, которое выполняет преобразование информации в форму соответствующую каналу связи) - Сообщение (цифровые данные определенного формата предназначенные для передачи или приема) - Средства приема-передачи (среда, обеспечивающая прием-передачу сообщений) - Приемник ( устройство, которое выполняет преобразование из формы соответствующее каналу связи в форму соответствующую абонентской системы) Каналы связи: - Радиоволновой; - Проводной; - Спутниковый; Режимы приема-передачи данных: - Симплексный - передача данных только в одном направлении - Полудуплексный - попеременные передачи-приемы - Дуплексный - одновременная передача и прием информации Разрядность передачи данных: - Параллельным кодом - данные передаются по нескольким линиям (высокая производительность, сложность среды) - Последовательным кодом - одна линия связи (экономия для реализации среды, низкая производительность) Последовательная передача данных может быть реализована в: - Синхронном режиме - вводится дополнительная линия связи, она является линией синхронизации приема и передачи данных (более высокая скорость, некоторые усложнения коммуникативной среды). - Асинхронное - используется одна линия связи, дополняется битами синхронизации (Простота, низкая скорость).

35. Реализация передачи данных в компьютерных сетях. Способы передачи/приема: - Цифровой; - Аналоговый; Аналоговый способ приёма/передачи, при котором происходит управление параметрами сигнала несущей частоты, представляет собой: X = Xm*sin(wt+ ), где Xm – амплитуда сигнала несущей частоты; - фаза сигнала, w – частота. Xm, , w – 2 параметра, которыми можно управлять, кодируя сигнал несущей частоты. Модуляция – управление параметрами несущей частоты. 3 вида управления сигналом (модуляции):

    1. Амплитудный - цифровой сигнал накладывается на аналоговый;

    2. Частотный - разные периоды для 0 и 1;

    3. Фазовый - меняется фаза сигнала;