Основы информатики программирования и вычислительной математики. Ча

Для удовлетворения одной и той же информационной потребности можно использовать различные запросы. Выданная по ним информация будет также различаться. Это различие будет состоять как в полноте информации, так и в наличии в ней ненужной, избыточной информации. Таким образом, эффективность удовлетворения информационных потребностей пользователя при поиске информации с помощью запросов к источникам информации определяется двумя характеристиками: пертинентностью и релевантностью.

Для использования информации применяются различные виды информационных технологий – системно организованных совокупностей методов и способов реализации информационных процессов на базе определенного класса инструментальных средств.

1.5. Информационные системы

Любые информационные процессы реализуются с помощью соответствующих им информационных технологий в рамках некоторой системы, содержащей элементы, способные производить входящие в эти процессы действия. Исторически первыми информационными системами можно считать библиотеки и архивы: две тысячи лет назад в знаменитой Александрийской библиотеке насчитывалось 700 тыс. книг. Задолго до изобретения электронных вычислительных машин существовали системы, использовавшие различную счетную технику для ввода, обработки и вывода информации. Для обработки результатов переписи населения России, проведенной в 1896 году, использовалась человеко-машинная информационная система на базе машин (перфораторов и табуляторов) Г. Холлерита. Несовершенство применявшихся ручных технологических процедур привело к тому, что подведение итогов переписи заняло пять лет. В настоящее время наиболее совершенным видом организации средств реализации информационных технологий является их включение в состав автома-

тизированной информационной системы (АИС). Автоматизированная информационная система – это взаимо-

связанная совокупность информации, автоматизированных инфор31

elib.pstu.ru

мационных технологий, а также обеспечивающих их реализацию программно-технических средств и специалистов, предназначенная для эффективного выполнения комплекса работ, необходимых информационным субъектам – пользователям АИС в их деятельности.

Техническое, программное и информационное обеспечение входят в состав комплекса средств автоматизации (КСА) и реализуются в виде взаимосвязанной совокупности компонентов и комплексов, снабжаемых необходимой технической документацией. Остальные виды обеспечения представлены комплексом организа- ционно-методических и эксплуатационных документов и учтены при реализации КСА.

Структура обеспечения подсистемы АИС представлена на рис. 9.

Рис. 9. Обеспечение подсистемы АИС

Техническое обеспечение АИС – совокупность всех технических средств, используемых при функционировании АИС, включая средства связи и носители данных, а также техническая документация на них.

Основой технического обеспечения современных АИС являются вычислительные машины различных моделей. В зависимости от возлагаемых на них задач они могут иметь различную конфигурацию и характеристики. Наиболее распространенными в настоящее время являются компьютеры, построенные на использовании и раз-

32

elib.pstu.ru

витии принципов, сформулированных Дж. фон Нейманом (об этом речь пойдет в последующих главах).

Программное обеспечение АИС – совокупность программ и программной документации для реализации всех целей и задач АИС, а также нормального функционирования технических средств. Программой называется описание на языке программирования или в машинном коде действий, которые должна выполнить машина в соответствии с алгоритмом решения конкретной задачи или группы задач. Таким образом, программу можно рассматривать как данные, предназначенные для описания последовательности операций, выполняемых машиной для достижения поставленной цели или задачи. Часто под программой понимают и саму описываемую последовательность операций.

Информационное обеспечение АИС – совокупность всех ха-

рактеризующих проблемную область массивов документов и данных, хранящихся и циркулирующих в АИС, независимо от характера носителей, на которых они записаны, включая их модели (структуры) (память машинных носителей информации).

Математическое обеспечение АИС – совокупность математи-

ческих методов, моделей и алгоритмов обработки информации, используемых при функционировании АИС.

Лингвистическое обеспечение АИС – совокупность языковых средств общения персонала с КСА, используемых для описания действий, которые необходимо выполнить КСА, и объектов, с которыми производятся эти действия. Другими словами, программы должны быть написаны на языке понятном машине и программистам.

Организационно-методическое обеспечение АИС – комплекс документов, регламентирующих деятельность персонала КСА в условиях функционирования АИС, а также формы представления результатов этой деятельности (правила и алгоритм работы в программе, запрещающие и предписывающие указания).

Правовое обеспечение АИС – комплекс правовых норм, регламентирующих правоотношения при функционировании АИС,

33

elib.pstu.ru

а также юридический статус выходных документов (результатов функционирования) АИС.

Эргономическое обеспечение АИС – совокупность взаимосвя-

занных требований, направленных на согласование технических характеристик КСА АИС с психофизиологическими характеристиками и возможностями персонала АИС с целью создания необходимых условий для его высокоэффективной работы.

Эргономика (от греч. «эрго» – работа и «номос» – закон) – научная дисциплина, изучающая человека (или группу людей) и его (их) деятельность в условиях совместного производства с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда. Таким образом, данное обеспечение АИС необходимо для создания оптимальных, неопасных для здоровья человека условий труда (например, защита от радиации от экрана компьютера).

Контрольные вопросы

1.Дайте определение информатики как технической науки. Назовите основную задачу и направления для практических приложений информатики.

2.Расскажите о структуре информатики. Охарактеризуйте связь информатики с другими дисциплинами.

3.Дайте определение информации. В какой форме передается информация.

4.Что такое сигнал? В каких формах он может быть представлен? Приведите примеры сигналов различного вида.

5.Поясните различие между информацией и данными, информацией и знаниями.

6.На какие категории можно разделить свойства информации? Какие свойства информации относятся к каждой из категорий?

7.Какие существуют количественные и качественные меры оценки информации и когда ими надо пользоваться?

34

elib.pstu.ru

8.Расскажите о синтаксической, семантической, прагматической мерах информации.

9.Какие существуют показатели качества информации?

10.Что такое информационный процесс? Расскажите о структуре информационных процессов.

11.Дайте определение информационной системы и информационной технологии. Опишите структуру информационной системы.

12.Расскажите о подсистемах, входящих в структуру информационной системы.

35

elib.pstu.ru

2. КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ. СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ

Системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. Древние египтяне применяли систему счисления, состоящую из набора символов, изображающих распространенные предметы быта. Совокупность этих символов представляла число. Расположение их в числе не имело значения, отсюда и появилось название непозиционная система. К этим системам относится римская, в которой впервые все величины представлялись в виде прямолинейных отрезков. Людям приходилось либо рисовать громоздкие строки повторяющихся символов, либо увеличивать алфавит этих символов. Это и явилось общим недостатком непозиционных систем счисления. В римской системе для записи больших чисел над символами основного алфавита ставилась черточка, которая обозначала: число умножается на 1000. Но все эти «маленькие хитрости» были бы бессильны перед проблемой записи очень больших чисел, с которыми сегодня приходится иметь дело вычислительным машинам. Выход из этого положения был найден, как только стали применять позиционные системы. В такой системе счисления число представляется в виде определенной последовательности нескольких цифр. Место каждой цифры в числе называется позицией. Первая известная нам система, основанная на позиционном принципе, – шестидесятичная, предложенная учеными Вавилона. Цифры в ней были двух видов, одним из которых обозначались единицы, другим – десятки. При определении учитывали, что цифры в каждом следующем разряде были в 60 раз больше тех же самых цифр из предыдущего разряда. Запись числа была неоднозначной, так как не было цифры для определения нуля. Следы вавилонской системы сохранились и до наших дней, например в способах измерения и записи времени, с той лишь разницей, что в этих способах 0 все-

таки присутствует.

Однако наибольшую ценность для нас имеет индо-арабская система, где имеется ограниченное число значащих цифр – всего 9, а также символ 0. Индийцы первыми использовали нуль для указа-

36

elib.pstu.ru

ния позиционной значимости величины в строке цифр. Эта система получила название десятичной, так как в ней было десять цифр.

В эпоху зарождения вычислительной техники и развития информационных технологий получили практическое применение восьмеричная, шестнадцатеричная и двоичная системы счисления, ставшие основой вычислительной техники.

Для организации успешного информационного взаимодействия с человеком компьютер должен уметь принимать, хранить, обрабатывать и передавать информацию тех же типов, которыми оперирует человек. Поэтому при создании сложных организационнотехнических систем, которыми являются АИС, необходимо учитывать особенности реализации информационных процессов как человеком, так и современными компьютерными и телекоммуникационными средствами.

Процессы обработки информации могут быть выполнены как человеком, так и компьютером. Человек может обрабатывать закодированную информацию, представленную в виде текста на естественном или специализированном языке, и незакодированную информацию в виде некоторых образов. Другими словами, человек сможет прочесть тот текст, символы в котором ему известны. Так же и компьютер способен распознать лишь ту информацию, которая закодирована в понятном для него коде.

Основой представления информации в современных компьютерах и других цифровых устройствах является двоичный код (двоичная система счисления), состоящий из двух символов: 0 и 1.

Использование двоичного кода объясняется в основном причинами технического характера. Поскольку все цифровые машины выполнены на принципиальных электрических схемах, основой которых являются логические элементы, реализация двоичной системы наиболее подходящая. При отсутствии сигнала (или при незначительном, меньше установленного) система выдает логический ноль, при появлении сигнала – логическую единицу.

Как было сказано ранее, объем данных, состоящих из одного символа двоичного алфавита, называется битом, а из 8 – байтом.

37

elib.pstu.ru

Именно поэтому, наряду с двоичной системой счисления, существуют восьмеричная и шестнадцатеричная системы. Для компьютера не имеет значения, в какой именно системе закодирован сигнал, машиной все символы расшифровываются в двоичной системе. Две последние системы были разработаны для человека, а именно для уменьшения работы по расшифровке больших по значению величин.

Для кодирования символьной и текстовой информации последовательно используется несколько систем кодировок. При вводе информации с клавиатуры нажатие клавиши вырабатывает так называемый Scan-код, представляющий собой двоичное число, равное порядковому номеру клавиши. Номер нажатой клавиши не связан с формой символа на клавише, опознание символа и присвоение ему внутреннего кода в компьютере производится специальной программой, по специальным таблицам. Именно поэтому основные символы на клавиатуре ПК (персонального компьютера) расположены в единой последовательности.

2.1. Алгоритмы перевода чисел из одной позиционной системы счисления в другую

2.1.1. Перевод числа из десятичной системы в двоичную

Перевод числа из десятичной системы счисления в двоичную осуществляется отдельно для целой и дробной частей числа по следующим алгоритмам:

– Целое десятичное число делится нацело на основание 2, затем на 2 делятся последовательно все частные от целочисленного деления, до тех пор пока частное не станет меньше основания. В результат заносится последнее частное и все остатки от деления, начиная с последнего. Пример перевода числа 227 в двоичную систему приведен на рис. 10.

38

elib.pstu.ru

Рис. 10. Перевод числа из десятичной системы в двоичную

Результат: 22710 = 111000112.

– Десятичная дробь последовательно умножается на основание 2, причем сразу после каждой операции умножения полученная целая часть записывается в результат и в дальнейшем умножении не участвует. Количество операций умножения зависит от требуемой точности, например, 0,64:

Для точности, приведенной в примере, результат следующий: 0,6410 = 0,101000112.

2.1.2. Перевод числа из двоичной системы в десятичную

Перевод числа из двоичной системы в десятичную можно осуществлять для целой и дробной частей числа по одному алгоритму путем вычисления суммы произведений цифры двоичного числа на вес ее знакоместа:

111000112 = 1 · 27 + 1 · 26 + 1 · 25 + 0 · 24 + 0 · 23 +0 · 22 +1 · 21 + + 1 · 20 = 128 + 64 + 32 + 2 + 1 = 22710.

0,101000112 = 1 · 2–1 + 0 · 2–2 + 1 · 2–3 + 0 · 2–4 + 0 · 2–5 + 0 · 2–6 + + 1 · 2–7 + 1 · 2–8 = 0,5 + 0,125 + 0,0078 + 0,0039 = 0,636710.

39

elib.pstu.ru

Для дробной части, как видно из примера, чем больше знаков послезапятойвдвоичном числе, темвыше точностьдесятичногочисла.

2.1.3. Представление в компьютере отрицательных чисел

Повторяясь, следует иметь в виду, что в памяти ПК двоичные числа хранятся в регистрах, состоящих из 8 ячеек, т.е. минимальное двоичное число, которое можно разместить в памяти, должно быть восьмиразрядным. При этом в незаполненных ячейках регистра (в старших разрядах) записываются нули.

В отличие от десятичной системы в двоичной системе счисления отсутствуют специальные символы, обозначающие знак числа: положительный (+) или отрицательный (–), поэтому для представления двоичныхотрицательныхчиселиспользуются следующиедвеформы.

1. Форма значения со знаком – старший (левый) разряд метится как знаковый и содержит информацию только о знаке числа:

1 – число отрицательное;

0 – число положительное.

Остальные разряды отводятся под абсолютную величину числа.

510 = 0000 01012; – 510 = 1000 01012.

2. Форма обратного дополнительного кода. Представление числа в форме дополнительного кода необходимо для выполнения арифметических операций.

Перевод производится по следующему алгоритму:

1)инвертировать все разряды числа, кроме знакового разряда;

2)прибавить единицу к полученному коду;

3)восстановить единицу в знаковом разряде. Преобразование числа

Отрицательные числа представлены в дополнительном коде, поскольку это дает существенную экономию времени при выполнении с ними арифметических операций.

40

elib.pstu.ru