Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Информатика лекции для ИВС, ИВБ.doc
Скачиваний:
31
Добавлен:
08.03.2015
Размер:
1.04 Mб
Скачать

21

ВВЕДЕНИЕ

Основные понятия и определения

Информатика– это научная дисциплина, изучающая общие свойства и структуру информации, закономерности ее создания, преобразования, накопления, передачи и использования.

Информация– это сведения о лицах, объектах, фактах, событиях, явлениях, процессах независимо от формы их представления.

С понятием информация тесно связаны понятия сигнал, сообщение и данные.

Сигнал– любой процесс, переносящий информацию.

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

Данные– информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки техническими средствами, в частности, ЭВМ.

Различают две формы представления информации: непрерывную и дискретную. Так как носителями информации являются сигналы, такое разделение распространяется и на сигналы.

Сигнал называется непрерывным, если его параметры в заданных пределах могут принимать любые промежуточные значения.

Сигнал называется дискретным, если его параметры в заданных пределах принимают строго определенные значения.

Поскольку сигнал имеет два основных параметра: уровень и время, то различают непрерывность сигнала по уровню и по времени.

Фазы обращения информации

Пусть информация необходима для управления каким-либо объектом. Можно выделить 9 фаз обращения информации:

1 Генерация информации

2 Восприятие информации

3 Подготовка информации

4 Передача информации

5 Обработка информации

6 Хранение информации

7 Представление информации

8=2 Восприятие информации

9 Воздействие информации на объект.

1 – Зависит от свойств и характеристик объекта, информация о котором должна быть получена.

2 – Состоит в том, что формируется образ объекта, производится его опознание и оценка. При восприятии часто требуется отделить полезную информацию от шума. Прием информации является восприятием.

3 – Связана с ее нормализацией, квантованием, кодированием, модуляцией и иногда построением модели.

4 – Состоит в переносе ее на расстояние посредством сигналов различной формы по каналам связи: акустическим, оптическим, электромагнитным, электрическим, гидравлическим, пневматическим, механическим, кинематическим.

5 – Обработка информации заключается в решении задач, связанных с преобразованием информации независимо от их функционального назначения. Так как сигналы бывают двух видов, то обработка может осуществляться с помощью аналоговых устройств (непрерывные сигналы) и дискретных (цифровых) устройств.

6 – Аналогично передаче (передача – на расстояние, хранение – во времени) Необходимо сохранить уровень сигнала и чистоту информации – защиту от шумов. При извлечении информации повторяется восприятие.

7 – Требуется, когда в цикле обращения информации участвует человек. Представление заключается в демонстрации перед человеком условных изображений, содержащих качественные и количественные оценки информации. Для этого используются устройства, способные воздействовать на органы чувств человека.

Виды информации

Различают следующие виды информации:

- параметрическую;

- топологическую;

- лингвистическую;

- абстрактную.

Параметрическаяинформация используется в науке и технике для выражения результатов измерений. К ней относятся наборы численных оценок значений каких-либо параметров.

Топологическаяинформация служит для выражения образов и ситуаций, подлежащих распознаванию. К ней относятся: геометрические образы, плоские изображения, объемные объекты, карты местности.

Лингвистическаяинформация связана с буквами, символами, предложениями.

Абстрактнаяинформация, когда необходимо обобщение, отвлечение, символизация.

Параметрическая

Топологическая

Лингвистическая

Абстрактная

Событие

Точка

Знак

Суждение

Величина

Линия

Буква

Понятие

Функция

Поверхность

Слово

Образы

Комплекс

Объем

Предложение

Система


Каждый вид информации, как правило, сводят к четырем основным видам:

Событие– это первичный элементарный элемент информации, который обычно принимает два значения: есть/нет, да/нет, 0/1. Оно является категорией нулевой меры (не имеет геометрических измерений).

Величина– это упорядоченное в каком-либо измерении множество событий, причем каждое событие отвечает принятию величиной какого-либо одного значения. Величина может быть непрерывной или дискретной. Если величина непрерывная, то множество событий несчетное (бесконечное), если величина дискретная – счетное.

Функция– соотношение между величиной и временем, пространством или другой величиной. Если функция определяет зависимость величины только от времени или только от пространства, или только от одной другой величины, то такая функция является двумерной.

Комплекс. Полный комплекс информации определяет зависимость величины от времени и пространства – трехмерное поле событий.

Структура информации

Различают информацию:

1 натуральную;

2 нормализованную;

3 комплексированную;

4 декомпозированную;

5 генерализованную;

6 квантованную (дискретную);

7 безразмерную;

8 кодированную.

Натуральная информация отражает реальное существование объектов. Как правило, она имеет аналоговую форму, и ее можно представить как совокупность трех множеств: величин {X}, времени {T}, точек пространства {N}. Натуральная информация, реально отображая объекты, не оптимальна по диапазонам (может принимать различные значения), не оптимальна по началу отсчета параметров (точки времени могут принимать различные значения).

Нормализованная информация отличается от натуральной тем, что каждое множество {X}, {N} и {T} приведено к одному масштабу, одному диапазону и одному началу отсчета. На натуральную информацию воздействуют 3 оператора: оператор масштабирования (М), диапазонный оператор (Д) и локализационный оператор (L).

Комплексированная информация образуется в результате приведения информации к полному комплексу {X,N,T}. Вместо трех различных множеств имеет множество трех параметров.

Декомпозиция – разбиение целого на отдельные составляющие.

В генерализованной информации исключены второстепенные ее части, т. е. информация обобщена и укрупнена. Генерализация охватывает как всю номенклатуру параметров, так и отдельные моменты времени, отдельные диапазоны измерений и степень подробности изображения (с точки зрения пространства).

Квантованная информация совпадает с исходной непрерывной информацией по физической размерности, но отличается от нее прерывным, дискретным характером.

Безразмерная информация – это дискретные отсчеты, приведенные к безразмерной форме. Для этого вводится так называемый интервал дискретности X,N,T.

Кодированная информация имеет, как правило, форму, основанную на применении какой-либо системы счисления или кодирования.

Измерение информации

Меры измерения информации отвечают трем основным направлениям в теории информации:

- структурному;

- статистическому;

- семантическому.

Структурное направление рассматривает дискретное строение массивов информации и измерение их простым подсчетом информационных элементов (квантов) или комбинаторным методом, предполагающим кодирование информации.

Статистическая или, иначе, вероятностная теория информации. Использует понятие энтропии как меры неопределенности, которая учитывает вероятность появления тех или иных событий и, следовательно, информации о них.

Семантическое направление учитывает целесообразность, ценность, полезность информации.

Указанные направления имеют свои области применения:

1 – для оценки возможностей аппаратуры информационных систем;

2 – дает оценку информационных систем в конкретных случаях их применения;

3 – для оценки эффективности логического опыта.

Структурные меры информации

При использовании структурных мер учитывается дискретное строение данного информационного комплекса, т. е. количество содержащихся в нем информационных элементов, связи между ними или их комбинации. Под информационным элементом понимают неделимую часть информации (квант) или элемент алфавита (символ) в числовых системах.

Различают геометрическую, комбинаторную и аддитивную меры информации.

Геометрическая мера служит для измерения длины линии, площади, объема в количестве дискретных единиц. Геометрическая мера позволяет определить максимально возможное количество информации в заданных структурных габаритах. Потенциальное количество информации – информационная емкость.

Если учесть, что дискретная информация по каждой оси комплекса измеряется в количествах то количество информации в полном комплексе

Так как дискретизация по каждой из осей может быть неравномерной или нестационарной, то количество информации в полном комплексе определяется по более сложным зависимостям.

К комбинаторной мере прибегают, когда требуется оценить возможность передачи информации при помощи различных комбинаций информационных элементов. Количество информации в комбинаторной мере вычисляется как количество комбинаций элементов. Здесь используются сочетания, перестановки, размещения.

Если комбинация из информационных элементов строится на основе сочетания, то множества таких комбинаций будут отличаться составом элементов.

Перестановка элементов отличается от других порядком расположения.

Размещения отличаются и составом, и порядком.

В комбинаторной мере определение количества информации заключатся не в простом подсчете информационных фактов, а в определении количества возможных комбинаций на основе этих фактов.

Аддитивная мера иначе называется мерой Хартли. При применении этой меры различают понятия: глубина числа и длина числа.

Глубиной числа hназывается количество различных элементов или знаков, содержащихся в алфавите, принятом для записи данного числа. Если используется числовая запись, то глубина числа соответствует основанию системы счисления.

Длиной числа lназывается количество повторений алфавита, необходимых для записи чисел нужной величины. Она соответствует разрядности.

Если известна глубина или длина, то количество различных чисел, представленных с помощью глубины или длины, может быть определено как

Поскольку такая оценка имеет показательную зависимость, то ее неудобно применять для оценки информационной емкости. Поэтому Хартли ввел двоичную логарифмическую меру, согласно которой количество информации

Если количество разрядов числа l=1, глубинаh=2 (min), то единица информации бит =1. Если разрядность числа будет меняться, то будет меняться и количество информации.

Семантические меры информации

Под семантикой понимается смысл (содержание) информации. Наука о знаках, словах, языках – семиотика. С точки зрения семиотики знак – это условное изображение элементов сообщения. Слово – совокупность знаков, имеющая смысловое значение. Язык – это словарь и правила пользования им.

Семиотика имеет дело с синтаксисом, семантикой, сигматикой и прагматикой.

Синтаксис – это отношения между знаками и словами с точки зрения формы их записи (что и как связывает между собой знаки).

Семантика поясняет, что выражает знак.

Сигматика раскрывает, что обозначает знак; имеет дело с сигналами и кодами как условными обозначениями элементов информации.

Прагматика оценивает практическую полезность знаков и слов.

К семантическим мерам относят следующие:

- содержательность информации. Отражает семантическую емкость, равную отношению количества семантической информации Icв сообщении к объему обрабатываемых данныхVд:

- целесообразность информации. При проведении какого-либо опыта полученная информация может быть трех видов: нулевая (пустая), положительная (полезная), изменяющая положение дел в лучшую сторону, отрицательная, изменяющая положение дел в худшую сторону – дезинформация. В любом случае имеется какое-то количество информации и до её получения, и после получения. Тогда мера целесообразности информации

где p0 – вероятность достижения цели до получения информации,

p1– вероятность достижения цели после получения информации;

- существенность информации – отражает степень важности информации о том или ином значении параметра X с учетом времениTи пространстваN. Различают существенность самого события (), существенность времени совершения события и существенность с точки зрения пространства. Между источником и приемником информации существует связь:

Чтобы источник отдал приемнику информацию, тот должен ее запросить. Это называется актуацией.

Формы вопроса:

  1. вопрос, в котором отсутствует ответ;

  2. вопрос, в котором содержится некоторая доля ответа;

  3. ответ полностью содержится в вопросе, его нужно подтвердить.

Тезаурус – запас знаний или словарь, используемый приемником информации, чтобы понять полученную информацию.

Исходя из понятий тезауруса, актуации, энтропии, источника и приемника информации, схема извлечения и передачи информации может иметь вид:

Источник обладает некоторой энтропией, чтобы иметь возможность генерировать информацию. В канале информация подвергается воздействию шумов и изменяется. Приемник имеет некоторый тезаурус для восприятия информации – В. Если В=0, то информация не будет воспринята. По мере получения информации приемник увеличивает свой словарный запас, обогащает тезаурус.

В– изменение тезауруса.

Архитектура эвм

Архитектура ЭВМ – совокупность принципов организации аппаратно-программных средств и их характеристик, определяющая функциональные возможности ЭВМ при решении определенных классов задач.

1) система команд

1) структура ЭВМ

1) прикладные

(для решения конкретных задач)

2) форматы данных

2) принципы организации памяти

2) системное ПО

3) быстродействие

3) принцип организации ввода/вывода

4) принцип организации управления

Системным называется программное обеспечение, предназначенное для разработки других программных продуктов и предоставления пользователю определенных услуг.

Системное ПО:

  1. операционная система;

  2. инструментальные средства;

  3. программы технического обслуживания;

  4. сервисные программы.

1 Операционные системы:

  • однопользовательские и многопользовательские;

  • однозадачные и многозадачные;

  • системы пакетного режима работы, режима разделения времени (интерактивные) и системы реального времени (диалоговые);

  • однопроцессорные, многопроцессорные, сетевые, распределенные.

2 Редакторы текстовые и графические, языки программирования, транслятор с языка программирования, компоновщик, загрузчик – система программирования, СУБД (система управления базами данных), электронные таблицы.

Access + Excel + Word = интерактивная среда Microsoft

3 Программы очистки дисков, дефрагментации дисков.

4 Интерфейсные программы, оболочки, утилиты, драйверы.

Структура и принципы функционирования эвм

АЛУ предназначено для выполнения арифметических, логических операций, операций сдвига и переноса. Оно является ядром процессора.

Помимо АЛУ в выполнении операций принимают участие регистры.

В состав процессора входят следующие регистры:

1) регистры общего назначения РОН, которые являются временным запоминающим устройством и служат для хранения адресов и данных. В зависимости от типа процессора изменяется количество РОН (6 – 64) и их разрядность.

2) регистр команд РКслужит для приема и хранения команды. Здесь она хранится в течение всего времени исполнения. В связи с тем, что команда может состоять из нескольких полей (частей), для загрузки каждой части команды потребуется отдельный цикл выполнения команды.

3) счетчик командысодержит адрес следующей команды. Этот адрес указывает место расположения команды в программе пользователя. Он является относительным, потому что указывает смещение данной команды относительно начальной команды. Во время выполнения программы операционной средой выполняется пересчет относительного адреса в адресе физической ячейки оперативной памяти (ОП), в которой должна храниться эта команда, с тем, чтобы в следующий цикл обработки команд ее можно было по этому адресу найти и загрузить в ПК.

Если в программе для команды указан непосредственно адрес ячейки ОП, то такой адрес называется абсолютным.

4) регистр-аккумулятор– содержит данные, которые входят в состав команды и должны быть выполнены АЛУ.

5) буферные регистры данных и адресапредназначены для временного хранения.

6) регистры признаков(регистр флажков). Признак (флаг) вырабатывается при выполнении операции и показывает переполнение регистра, знак результата, наличие или отсутствие переноса из младшего разряда в старший.

Работой АЛУ и регистров при выполнении команд управляет УУ.

По сигналам УУ выбирается команда из ОП, в самом УУ выполняется расшифровка кода операции, формируются сигналы для передачи данных, выполнения над ними действий, анализа признаков, появляющихся в результате выполнения действий и т. д.

ЗУ разделяется на

  1. внешнюю память;

  2. внутреннюю память.

К внешней памяти относятся НГМД, компакт-диски, магнитооптические диски, жесткие диски.

К внутренней памяти относятся ПЗУ–постоянные ЗУ– и ОЗУ – оперативные ЗУ.

ПЗУ предназначены для хранения базовой системы ввода–вывода BIOS(программы тестирования устройств компьютера, программы управления отдельными устройствами, внутренние драйверы, стартовый загрузчик –Bootstrap).

Классификация ПЗУ

В ОЗУ информация хранится только при включенном напряжении питания.

Классификация ОЗУ по технологии изготовления

С течением времени конденсаторы в динамических ОЗУ разряжаются, необходимо выполнять регенерацию, т. е. восстановление информации, поэтому в состав динамических ОЗУ входят цепи регенерации.

Классификация ОЗУ по конструктивному исполнению

Общая емкость оперативной памяти, которая может быть установлена в компьютере, определяется разрядностью шины адреса, поскольку необходимо иметь возможность задавать адрес каждой ячейки памяти.

В компьютерах 8086 и 8088 (PC/XT) – 16-разрядная шина адреса.

216=640 К.

В компьютерах класса PC/ATна процессорах 8086 20-разрядная адресная шина, емкость памяти 220.

В ПК 80386 и далее, Pentiumиспользуется 32-разрядная шина адреса, что позволяет процессору обращаться к оперативной памяти объемом 4 Гб.

В ОП хранятся: ОС, внешние драйверы, резидентные (постоянные) программы, исполняемые программы, обрабатываемые данные.

Исполняемая программа вместе с обрабатываемыми ею данными (под ее управлением) составляет процесс.

Устройства внешней памяти делятся на 2 класса: последовательного доступа – накопитель на магнитной ленте (доступ к информации, пройдя предыдущую); прямого (произвольного) доступа непосредственно к информации.

Устройства ввода-вывода – это устройства ввода и вывода.

Устройства ввода: клавиатура, сканер, дигитайзер (для ввода графической информации).

Устройства вывода: монитор (экран), принтер, плоттер (графопостроитель), звуковые колонки.

Модемы и сетевые карты (платы) – устройства связи.

Устройства вывода делятся также на:

- устройства, с которых информация воспринимается человеком без дополнительных преобразований: монитор, принтер, плоттер;

- машиночитаемые устройства: дисководы, модем, сетевая плата.

Системный интерфейс – конструктивная часть ЭВМ для взаимодействия устройств и обмена информацией между ними. В больших и средних ЭВМ в качестве системного интерфейса используются сложные устройства, имеющие встроенные процессоры ввода-вывода – каналы.

В ПК устройства связаны шинами, которые позволяют передавать информацию в одном направлении – однонаправленные, и в обоих – двунаправленные. Конструктивно шина – плоский многожильный кабель. Количество жил определяется разрядностью передаваемой информации. От помех жилы защищены заземленными жилами, выполняющими функцию экрана.

Шина адреса ША – однонаправленная. Информация от процессора направляется в оперативную память для выбора ячейки или в порт ввода–вывода.

Шина управления ШУ – двунаправленная. Управляющие сигналы процессора передаются к устройствам ввода/вывода для их выбора. От устройств ввода/вывода сигналы передаются в процессор. Эти сигналы двух видов:

- сигналы готовности;

- сигналы прерывания.

Шина данных ШД – двунаправленная. Обеспечивает обмен данными между процессором, оперативной памятью и устройствами ввода/вывода.

Пульт управления ПУ. Используется в больших и средних ЭВМ для задания оператором или системным программистом системных операций в ходе управления вычислительным процессом. Как правило, пульт управления конструктивно выполнен вместе с ЦП. В ПК роль пульта управления играет клавиатура.

Основные параметры ВТ

ВТ характеризуют следующие параметры:

1) быстродействие;

2) емкость памяти;

3) точность вычислений;

4) система команд;

5) надежность;

6) стоимость.

Быстродействие рассматривают в двух аспектах. С одной стороны, быстродействие характеризуется количеством элементарных операций, выполняемым процессором в 1 с. Элементарная операция – любая простейшая операция типа сложения, сравнения, пересылки и др. С другой стороны, быстродействие ЭВМ существенно зависит от организации ее памяти. Это связано с тем, что время, затраченное на поиск необходимой информации в памяти, определяет время исполнения всей задачи и сказывается на быстродействии ЭВМ. В зависимости от области применения выпускаются ЭВМ с быстродействием от нескольких сотен тысяч до миллиардов операций в секунду.

Наряду с быстродействием часто используется понятие производительность ЭВМ. Производительность связана главным образом с архитектурой ЭВМ и разновидностями решаемых на ней задач.

Различают следующие оценки быстродействия:

- пиковое быстродействие, определяемое тактовой частотой процессора (без учета обращения к ОП);

- номинальное быстродействие, зависящее от времени обращения к ОП;

- системное быстродействие, определяемое с учетом системных затрат на организацию вычислительного процесса;

- эксплуатационное быстродействие, определяемое с учетом решаемых задач.

Емкость памяти определяется максимальным количеством информации, которую можно разместить в памяти ЭВМ. Измеряется в байтах (1 байт = 8 бит) и производных от них (Кб, Мб, Гб). Память ЭВМ разделяется на внешнюю и внутреннюю (ОП). Емкость ОП определяется разрядностью ША. Емкость внешней памяти неограниченна.

Точность вычислений зависит от формы представления чисел в ЭВМ и от количества разрядов, используемых для представления числа. Современные ЭВМ используют 32- или 64-разрядный МП, что позволяет обеспечить высокую точность вычислений. Однако если получаемая точность не удовлетворяет пользователя, то для ее повышения используют удвоенную и утроенную разрядную сетку.

Система команд – это перечень команд, которые способен выполнять процессор ЭВМ. Система команд устанавливает, какие конкретно операции может выполнять процессор, сколько операндов следует указать команде, какой формат (вид) должна иметь команда, чтобы она была распознана процессором. Количество команд относительно не велико: сложение, вычитание, умножение, деление, сравнение, запись в память, передача числа из регистра в регистр, преобразование из одной системы счисления в другую и т. д. При необходимости может выполняться модификация команды, учитывающая специфику вычислений. Обычно в компьютере выполняется около ста команд.

Если ЭВМ использует полный набор команд (CISC-компьютер:ComplexInstructionSetComputer), то это приводит к усложнению аппаратных средств компьютера и увеличению времени выполнения команд. На выполнение самой простой команды тратится 4 такта. Для упрощения аппаратных средств и сокращения времени выполнения программы за счет только выполнения основных команд используютRISC-архитектуру (ReducedInstructionSetComputer), т. е. компьютер с сокращенным набором команд. На выполнение простой команды тратится 1 такт. При необходимости выполнения более сложных команд в микропроцессоре производится их автоматическая сборка из простых.

Надежность – это способность ЭВМ сохранять свои свойства при заданных условиях эксплуатации в течение заданного промежутка времени.

Количественной оценкой надежности являются:

- вероятность безотказной работы за определенное время при заданных условиях эксплуатации;

- наработка на отказ – время до первого отказа;

- среднее время восстановления ЭВМ – определяется временем на поиск и устранение неисправности.

Для повышения надежности вычислительной системы используют несколько ЭВМ для выполнения одних и тех же вычислений. Например, на самолетах используют три бортовых компьютера, на космическом корабле – 5. Для определения правильного результата используют правило мажорирования – голосования по признаку большинства.

Стоимость зависит от множества факторов, таких как: быстродействие, емкость памяти, система команд, условия производства.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.