Электронный экзаменатор у вас дома. Информатика

ÁÁÊ 32.973.202 ÓÄÊ 681.3.06 Ï 37

Ю. М. Платонов, Ю. Г. Уткин, М. И. Иванов

П37 Электронный экзаменатор у вас дома. Информатика. — М.: СОЛОН-Пресс, 2021. — 176 с. — (Серия «Библиотека студента»).

ISBN 5-98003-144-8

Эта книга посвящена современным информационным технологиям. Она предназна- чена для читателей, которые вместо гор компьютерной литературы хотят получить краткое руководство по вычислительной технике и программированию, то есть для учащихся средней школы, студентов колледжей и вузов.

Материал книги подобран так, чтобы систематизировать разрозненные знания, полученные из различных учебников и обучающих курсов, а прилагаемая на компакт-диске оригинальная программа является своеобразным «электронным экзаменатором» для тех, кто хочет проверить свои знания по информатике.

У книги три отличительные особенности:

Первая — в сжатой форме приведены практические сведения по самым различным аспектам информатики. Описаны принципы построения персонального компьютера (ПК), основы двоичной арифметики, приведен необходимый минимум знаний по работе с офисными и прикладными программами. Особое внимание уделено вопросам самостоятельного устранения причин неполадок и зависаний, возникающих при работе компьютера.

Вторая — пособие снабжено методическим материалом, прошедшим успешную апробацию в различных учебных заведениях, в том числе — в Московской государственной академии водного транспорта.

Третья особенность заключается в оригинальной авторской программе-шаблоне TEST_2004. Она позволяет без преподавателя проверить знания обучаемого по всему материалу данного пособия. Именно такие методики применяются сегодня в системах дистанционного обучения. Результаты проверок могут быть перенаправлены в базу данных для дальнейшего анализа эффективности усвоения предмета. Программа-шаблон может быть использована не только учащимися, но и репетиторами или преподавателями для создания подборки учебных тестов по любым дисциплинам.

КНИГА — ПОЧТОЙ

Книги издательства «СОЛОН-Пресс» можно заказать наложенным платежом по фиксированной цене. Оформить заказ можно одним из двух способов:

1.послать открытку или письмо по адресу: 123001, Москва, а/я 82;

2.передать заказ по электронной почте на адрес: magazin@solon-r.ru.

При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому должны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество полу- чателя. Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.

Через Интернет Вы можете в любое время получить свежий каталог издательства «СОЛОН-Пресс». Для этого надо послать пустое письмо на робот-автоот- ветчик по адресу: katalog@solon-r.ru.

Получать информацию о новых книгах нашего издательства Вы сможете, подписавшись на рассылку новостей по электронной почте. Для этого пошлите письмо по адресу: news@solon-r.ru. В теле письма должно быть написано слово SUBSCRIBE.

ISBN 5-98003-144-8 © Макет и обложка «СОЛОН-Пресс», 2021

© Ю. М. Платонов, Ю. Г. Уткин, М. И. Иванов, 2021

Предисловие

Материальную основу информатики в России составляет громадный парк современных персональных компьютеров, коммуникационных устройств, сетевых комплексов, а также прикладных программ и систем, относящихся к предмету информационных технологий.

Данное пособие посвящено, в основном, обучению практике работы на персональном компьютере с привлечением теории информатики, принципов построения ПК и элементов дистанционного обучения как методологии успешного освоения предмета.

Основное содержание книги делится на две части: собственно

информатику è информационные технологии. Авторы не обозначили этого явно, чтобы не перегружать книгу информацией, но тем не менее главы, посвященные информационным технологиям, имеют значительный вес по сравнению с материалом, имеющим отношение к информатике.

Учащемуся, студенту или аспиранту необходимо не только знание основ информатики (структура ПК, принципы действия вы- числительной техники, механика операций с двоичными числами, программирование), он также должен знать элементы информационных технологий.

Умению работать с текстовым редактором Word, электронными таблицами Excel, пограммным комплексом, управляющим базами данных, MS-Access — научит вторая часть книги. Все эти программы в настоящее время содержатся в популярных офисных пакетах и сетевых приложениях (текстовые редакторы, электронные таблицы, программные оболочки для просмотра и редактирования web-страниц).

Программа-шаблон тестовой проверки знаний TEST_2004, представленная в книге, разработана сотрудниками и преподавателями Московской государственной академии водного транспорта (МГАВТ). В 2002-2003 гг. она прошла успешную апробацию на кафедре «Информатики и информационных технологий» и показала высокую эффективность как в вопросах обучения студентов по даному предмету, так и облегчения труда преподавателей.

В книге приведены 10 тестов по 20 вопросов в каждом, представляющих почти все освещаемые в книге темы. Некоторые из них требуют знания факультативного материала, но авторы помес-

тили их в данное пособие, поскольку сами тесты можно рассматривать как учебный материал.

В перспективе использование данной программы предполагает разработку базы данных, куда могут заноситься результаты периодических проверок знаний студентов. Соответственно, оценки этих проверок должны служить материалом для корректировки тестов (вопросов и ответов) в целях повышения эффективности преподавательской деятельности. Как известно, данный принцип положен в основу современных систем дистанционного обучения, внедряемых в различных учебных заведениях России.

Практика внедрения подобных программ показала, что наилучшие результаты достигаются применением автономных учебных модулей (каковым и является данная программма-шаблон), «монтируемых» впоследствии в учебный комплекс, соответствующий сетевой структуре с выходом в Интернет.

I. Немного о «железе» и представлении информации

1. Закона Ома и выключатель. Ток, напряжение, сопротивление

Представим себе последовательную цепь, в которую включены батарея (аккумулятор), выключатель и сопротивление. В вашей комнате аналогом такой цепи будут сеть 220 вольт, выключатель и лампочка.

Когда выключатель включен, через сопротивление (лампочку) течет ток I = U/R, это состояние — включено.

Условимся считать состояние выключателя, при котором через сопротивление течет ток E1 = 1, если выключатель выключен — ток равен нулю и E1 = 0; состояние — выключено.

2. Бит информации как состояние выключателя

Если состояния (включено/выключено) выключателя равновероятны, то можно считать, что количество информации, определяемое возможными состояниями выключателя, равно одному áèòó. Состояний — всего два. Вероятность каждого — 1/2 (или 50%).

Что такое один бит? Если я не вижу, включен свет в комнате или выключен, то мне, чтобы иметь возможность точно сказать, что свет в комнате горит, нужен один бит информации.

Ò. å. áèò (binaru digit) определяет одно из двух равновероятных состояний (переключателя). Отметим, что точно такие же равновероятные состояния реализуются в падающей монете — монета упадет вверх орлом или решкой. Таким образом, если говорить строго, бит содержит информацию об объекте с двумя равновероят-

ными состояниями.

3. Триод — пример более сложного переключателя

Усилительная лампа — тот же выключатель, только электронный. Лампа состоит из катода (нить накала), анода (металличе- ской пластины) и сетки, расположенной между анодом и катодом. Если на сетку подать небольшое напряжение, то через лампу пой-

6I. Немного о «железе» и представлении информации

дет ток. Этот ток проходит через внешнее подключенное сопротивление. Это состояние — включено. Если напряжение с сетки снять, ток через сопротивление не пойдет — лампа будет закрыта: состояние — выключено. Таким образом, снова можно считать, что, если состояние выключателя равновероятно, то количество информации, определяемое возможными состояниями выключа- теля, равно одному áèòó.

4. Транзистор — кристаллический триод

Кристаллический транзистор (изобретен в 1953 году) работает аналогично электронной усилительной лампе. Его основу составляют эмиттер (аналогично катоду в лампе), коллектор (анод) и база (сетка). Управляется транзистор слабым током (лампа — напряжением).

Если в базу поступает («слабый») ток, то через транзистор и внешнее сопротивление течет «сильный» ток. Это соответствует состоянию — включено. Если ток через базу не течет, то транзистор закрывается и отключает ток в сопротивлении: состояние —

выключено.

5. Триггер — основа цифрового вычислительного устройства

Пара ламп или транзисторов с положительными обратными связями составляет триггер. Триггер — тот же выключатель, только с двумя «плечами». Его можно рассматривать как выключатель с усилителем. Триггер как электронный элемент более стабилен. Он требует только однократного воздействия и переходит в одно из двух состояний, регистрируемых на выходе одного из транзисторов.

Триггер — это качели, а два его транзистора — это концы ка- челей (правое поднято, левое опущено и наоборот). Обычно фиксируется одно «плечо» триггера — включено èëè выключено. Второе используется для фиксации противоположного состояния, если это необходимо.

В первых компьютерах на лампах число триггеров не превышало нескольких тысяч, и занимали такие компьютеры большую комнату или несколько комнат (1958 г.).

Изобретение транзисторов позволило совершить резкий ска- чок — число триггеров возросло при том же физическом объеме до нескольких десятков и даже сотен тысяч (1978 г.)

Электронная схема персонального компьютера (ПК) содержит несколько сотен тысяч триггеров (1997 г.), несколько миллионов триггеров (2000 г.), десятки миллионов триггеров (современные мощные ПК — 2003—20044 гг.).

Сделаем следующее заключение: ПК — это электронная схема с несколькими десятками миллионов триггеров, каждый из которых находится в состоянии 0 или 1 — миллион триггеров — милли-

он битов.

Блок питания ПК обеспечивает напряжение 5 вольт на материнскую (системную) плату (и ток от 5 до 10 ампер), чтобы эти миллионы триггеров находились в рабочем состоянии.

6. Регистр сдвига

Регистр сдвига предназначен для хранения, последовательного или параллельного перемещения цепочек битовых комбинаций (из единиц и нулей). Для чего это все нужно, мы узнаем, когда подойдем к логическим операциям с единицами и нулями. А пока ограничимся замечанием, что регистры являются основными электронными элементами микропроцессоров. Микропроцессор — это основной модульный элемент персонального компьютера (ПК).

По существу, почти вся электронная схема ПК представляет собой набор регистров, сосредоточенных в микропроцессоре, контроллерах, устройствах памяти, адаптерах.

7. Информация и ее количество

Таким образом, информация — это совокупность признаков, характеризующих неопределенность состояний объекта. (Мы не знаем, какой стороной упадет монета — орлом или решкой — до того, как не подбросим монету. После бросания монеты неопределенность снимается.)

Вероятность выпадения орла равна вероятности выпадения решки и равна 0,5 (50%).

8I. Немного о «железе» и представлении информации

Количество информации — мера неопределенности, характеризующая состояние объекта.

Монета подброшена, выпал орел. Но несмотря на то что событие произошло (бросание монеты), до тех пор пока мы не посмотрим на монету, мы не получим этого бита информации. Как только посмотрели — бит получен, и смысл «количества информации» потерян, обнулен. Т. е. априорно (до опыта) — это бит информации, апостериорно (после опыта) — нуль. Но у нас всегда имеется в виду — до опыта (априорно).

Формула Шеннона определяет количество информации как:

N

IPi Log2Pi,

i 1

где I = количество информации,

Pi — вероятность события (0,5 — орел или решка, 1/32 — появление какой-либо русской буквы в данном месте текста),

N — число возможных событий (2 — бросание монеты, 32 — возможные русские буквы в данном месте текста).

Таким образом, I = 1 бит для монеты è I = 5 áèò для возможной русской буквы в данном месте текста. Если число возможных (и равновероятных) состояний = 256, то количество информации I = 8 áèò (1 байт). Проверьте!

8. Комбинации переключателей

Персональный компьютер оперирует с единицами и нулями. Можно доказать, что все (абсолютно) математические задачи можно решить с помощью двоичной арифметики, т. е. все эти задачи можно свести к операциям двоичной арифметики, а еще точнее — к операциям алгебры логики (алгебры Буля). Сколько этих операций? Не больше пяти. И размещены они в так называемой таблице «истинности».

9.Основы алгебры Буля

&— операция И (AND) — сравнивает два бита и генерирует 1, если оба бита 1, и 0, если биты отличаются друг от друга.

| — операция ИЛИ (OR) — сравнивает два бита и генерирует 1, если любой из битов (или оба бита) равен 1.

^ — операция исключительное ИЛИ (exclusive OR) — сравнивает два бита и генерирует 1, если один из битов 1, и 0 — во всех других случаях.

~ — операция инверсии каждого бита на противоположный, эквивалентна операции отрицания (NOT).

Заметим, кстати, что так (<< >>) обозначается операция побитового сдвига влево и вправо.

В соответствии с этими операциями приведем базовую таблицу алгебры логики или алгебры Буля — таблицу «истинности».

Таблица ИСТИННОСТИ

Забегая вперед, заметим, что все операции с двоичными числами, которые описываются таблицей истинности, могут производиться электронными элементами — триггерами, регистрами (побитовый сдвиг), сумматорами (операция ИЛИ), инверторами (операция НЕ), схемами совпадений (операция И).

II. Представление чисел и букв в ПК

1. Двоичная и шестнадцатеричная системы счисления

Большинство систем счисления (способы записи чисел) являются позиционными.

Например, в десятичной системе счисления 10 цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, но информацию несет не только цифра, но и место, на котором цифра находится (то есть ее позиция). В этой системе счисления особую роль играют число 10 и его степени: 10, 100, 1000 и т. д. Самая правая цифра числа показывает число единиц, вторая справа — число десятков, следующая — число сотен и т. д.

 двоичная система счисления всего две цифры — 0 и 1. Особую роль здесь играет число 2 и его степени: 2, 4, 8 и т. д. Самая правая цифра числа показывает число единиц, следующая цифра — число двоек, следующая — число четверок и т. д.

Например, цифра 7:

0 0 0 0 0 1 1 1 = 0 2 в степени 7 + 0 2 в степени 6 + 0 2 в степени 5 + 0 2 в степени 4 + 0 2 в степени 3 + 1 2 в степени 2 + 1 2 в степени 1 + 1 2 в степени 0 = 7

Двоичная система счисления позволяет «закодировать» любое натуральное число — представить его в виде последовательности нулей и единиц.

 шестнадцатеричной системе счисления запись числа получа- ется достаточно компактной. В качестве первых 10 из 16 шестнадцатеричных цифр взяты цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, а остальные 6 цифр используют первые буквы латинского алфавита: A, B, C, D, E, F.

Цифра 1, записанная в самом младшем разряде, означает просто единицу. Та же цифра 1 в следующем разряде — 16 (десяти- чное), в третьем разряде — 256 (десятичное) и т. д. Цифра F, указанная в самом младшем разряде, означает 15 (десятичное). Соответственно, формула перевода шестнадцатеричного числа в десятичное (на примере):