Теоретические основы информатики. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ ИВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТим. Х.М. БЕРБЕКОВА»

О.Л. Бозиев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

Учебное пособие

Рекомендовано Редакционно-издательским советом КБГУ в качестве учебного пособия для обучающихся

по направлению подготовки 09.03.01 Информатика и вычислительная техника

Нальчик

КБГУ

2024

УДК 004.382 (075.8) ББК 32.811 я73

Б76

Рецензенты:

кафедра «Мультиагентные интеллектуальные робототехнические системы» научно-образовательного центра Кабардино-Балкарского научного центра Российской академии наук

доцент кафедры информатики, информационной безопасности и цифровой экономики факультета математики, физики и информационных технологий Калмыцкого государственного университета им Б.Б. Городовикова

Е.О. Басангова

Автор: Бозиев О.Л.

Б76 Бозиев, О. Л. Теоретические основы информатики : учебное пособие / О. Л. Бозиев ; Министерство науки и высшего образования Российской Федерации, Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова. – Нальчик :

Каб.-Балк. ун-т, 2024. – 103 с. : ил. – Библиогр. : с. 102. – 50 экз. – Текст : непосредственный.

Издание представляет собой учебный курс по свойствам информации и способам измерения ее количества, системам счисления, формам представления чисел в ЭВМ и операциях над ними, кодированию чисел, машинным командам, программному управлению и архитектуре ЭВМ. Теоретический материал сопровождается подробными решениями соответствующих примеров и упражнениями для самостоятельного решения, а также образцами тестовых заданий.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Информатика и вычислительная техника».

УДК 004.382 (075.8) ББК 32.811 я73

♥ Бозиев О.Л., 2024

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………….. 5

1.ИНФОРМАЦИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС ……. 7

1.1.Понятие информации ……………………………………….. 7

1.2.Носитель информации и сообщение ……………………….. 8

1.3.Свойства информации ………………………………………. 11

1.4.Понятие информационного процесса ………………………. 12

2.ИЗМЕРЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА ИНФОРМАЦИИ ……………. 16

2.1.Синтаксический уровень ……………………………………. 16

2.2.Семантический уровень …………………………………….. 18

2.3.Прагматический уровень ……………………………………. 22

3.НЕПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ …………… 24

3.1.Римская система счисления …………………………………. 24

3.2. Алфавитные системы счисления …………………………… 26 4. ПОЗИЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ ……………….. 27

4.1.Двоичная система счисления ……………………………….. 29

4.2.Двоично-кодированные СС …………………………………. 30

4.3. Перевод целых чисел из одной позиционной СС в другую 32

4.4.Перевод из позиционной СС в десятичную ……………….. 32

4.5.Перевод дробных чисел ……………………………………... 33

4.6.Арифметические операции в СС с основаниями 2, 8, 16 …. 34 5. ЭКОНОМИЧНОСТЬ СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ ……………. 40

5.1.Понятие экономичной СС …………………………………… 40

5.2.Троичная система счисления ……………………………….. 41

5.3. Арифметические операции в троичной симметричной СС 42

5.4.Единицы измерения информации в троичных ЭВМ ………. 45

5.5.Выбор системы счисления ………………………………….. 46 6. ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЧИСЕЛ В ЭВМ ………………. 47

6.1.Естественная форма …………………………………………. 47

6.2.Нормальная форма …………………………………………… 48

6.3.Операции над числами в нормальной форме………………. 50

6.4.Форматы чисел ……………………………………………….. 51 7. ПОНЯТИЕ О КОДИРОВАНИИ ИНФОРМАЦИИ ………….. 53

7.1.Коды чисел …………………………………………………… 54

7.2.Прямой код …………………………………………………… 55

3

7.3.Обратный код ………………………………………………… 56

7.4.Дополнительный код ………………………………………… 57

7.5.Сложение в обратном и дополнительном кодах …………… 59

7.6.Представление десятичных дробей в ДК …………………... 62

7.7.Модифицированные коды …………………………………… 64 8. МАШИННЫЕ КОМАНДЫ И ИХ АДРЕСАЦИЯ …………… 67

8.1.Машинные команды …………………………………………. 67

8.2.Адресация команд ……………………………………………. 69

8.3.Методы адресации операндов ………………………………. 70

9. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ И АРХИТЕКТУРА ЭВМ 73

9.1.Принципы программного управления ……………………… 73

9.2.Архитектура ЭВМ ……………………………………………. 73

9.3.Принципы функционирования ЭВМ ……………………….. 75

9.4.Классификация компьютеров ………………………………. 76 10. ПРИМЕРЫ ТЕСТОВЫХ ВОПРОСОВ С ОТВЕТАМИ ……. 79

10.1.Информация и информационный процесс ………………... 79

10.2.Измерение количества информации ………………………. 84

10.3.Системы счисления …………………………………………. 88

10.4.Формы представления чисел в ЭВМ ………………………. 92

10.5.Коды чисел ………………………………………………….. 95

10.6. Машинные команды и архитектура ЭВМ ………………… 98

ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………. 102

4

ВВЕДЕНИЕ

Информатика (образовано из слов информация и автоматика) – наука о законах и методах сбора, хранения, обработки, передачи, анализа и оценки информации с помощью компьютеров, обеспечивающих возможность её использования в практической деятельности. Основными направлениями информатики являются:

−теория информации, изучающая процессы передачи, приёма, преобразования и хранения информации;

−разработка вычислительных систем;

−разработка программного обеспечения для различных сфер человеческой деятельности;

−средства телекоммуникации, включая глобальные компьютерные

сети.

В последние годы к устоявшимся направлениям информатики прибавились методы искусственного интеллекта, позволяющие решать некоторые специальные задачи. В соответствующих приложениях помимо вычислительных процедур требуется применения действий, напоминающих интеллектуальную деятельность человека. К ним относятся обучение, понимание речи, визуальное восприятие, логический вывод и др.

Можно сказать, что информатика – комплексная научно-техническая дисциплина, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации, информационных процессов, разработкой на этой основе информационной техники и технологии, а также решением научных

иинженерных проблем создания, внедрения и эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной деятельности.

Главная функция информатики состоит в разработке методов

исредств преобразования информации с использованием компьютеров

ив применении их при организации технологического процесса преобразования информации.

5

С этой функцией связаны следующие задачи информатики:

−разработка информационной техники и создание новейших технологий преобразования информации на основе результатов, полученных в ходе исследования информационных процессов;

−решение научных и инженерных проблем создания, внедрения

иобеспечения эффективного использования компьютерной техники

итехнологии во всех сферах человеческой деятельности;

−исследование информационных процессов в социальных системах.

Вданном учебном пособии изложены некоторые теоретические основы информатики, распределенные по разделам:

−информация и информационный процесс;

−измерение количества информации;

−системы счисления;

−формы представления чисел в ЭВМ;

−коды чисел;

−машинные команды и их адресация;

−программное управление и архитектура ЭВМ.

Теоретический материал сопровождается решением иллюстрирующих примеров, упражнениями для самостоятельного выполнения и образцами тестовых вопросов с ответами.

6

1.ИНФОРМАЦИЯ

ИИНФОРМАЦИОННЫЙ ПРОЦЕСС

1.1.Понятие информации

До настоящего времени не существует общепринятого определения термина «информация». При этом использование этого понятия не вызывает затруднений. Говоря об информации, обычно подразумевается сообщение, изложение, какие-либо сведения, данные, разъяснение, объявление. В обычном, «житейском» смысле, информация – это сумма сведений, которую получает некоторый субъект, человек, группа людей или животных об окружающем мире, о самом себе, о другом субъекте или изучаемом явлении. Используя эти сведения, человек может выбирать способы достижения поставленных целей, прогнозировать результаты своих действий.

Приведем два определения.

Информация – сведения, воспринимаемые живым организмом или специальными устройствами как отражение фактов материального мира в процессе коммуникации.

Информация – это сведения об объектах и явлениях окружающей среды их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся степень неопределенности о них, степень неполноты знаний.

Информация проявляется только при взаимодействии объектов, обладающих организованной структурой. Объектами информационного взаимодействия могут быть не только люди: обмен информацией может происходить в животном и растительном мире, между живой и неживой природой, людьми и устройствами.

Важное отличие информации от других объектов окружающего мира состоит в том, что при передаче информации принимающая сторона получает ее, а объем информации у передающей стороны не уменьшается.

Информацию можно разделить на виды по различным критериям.

1.По объектам информационного взаимодействия: человек – человек, человек – автомат, автомат – автомат.

2.По способу восприятия:

−визуальная – воспринимаемая органами зрения;

−аудио – воспринимаемая органами слуха;

−тактильная – воспринимаемая органами осязания;

−обонятельная – воспринимаемая обонятельными рецепторами;

−вкусовая – воспринимаемая вкусовыми рецепторами.

7

3. По форме представления:

− текстовая – в виде символов, обозначающих лексемы языка; − числовая – в виде цифр и знаков, обозначающих математические

действия; − графическая – в виде изображений, предметов, графиков;

− звуковая – устная или в виде записи и передачи лексем языка звуковым путём;

− видеоинформация – передаваемая в виде видеозаписи. 4. По назначению:

−массовая, содержащая тривиальные сведения и понятия, доступные для восприятия большей части общества;

−специальная, содержащая специфический набор понятий, необходимых и понятных в рамках узкой социальной группы, где используется данная информация;

−секретная, передаваемая узкому кругу лиц по закрытым (защищённым) каналам связи;

−личная (приватная) – набор сведений о какой-либо личности, определяющий социальное положение и типы социальных взаимодействий внутри популяции.

5. По значению:

−актуальная – информация, ценная в данный момент времени;

−достоверная – информация, полученная без искажений;

−понятная – информация, выраженная на языке, понятном получателю;

−полная – информация, достаточная для принятия правильного решения или понимания;

−полезная – полезность определяется получателем информации в зависимости от возможностей её использования.

6. По истинности: истинная, ложная.

Из сказанного выше следует, что информация не является материальной. Следовательно, для существования и распространения в материальном мире она должна быть обязательно связана с какой-нибудь материальной основой, так как без нее информация не может проявляться, передаваться и сохраняться, например, восприниматься и запоминаться.

1.2. Носитель информации и сообщение

Материальный объект или среда, служащая для представления или передачи информации, называется ее материальным носителем.

8

Материальным носителем информации может быть бумага, воздух, флэш-накопитель, электромагнитное поле и пр. При этом хранение информации связано с некоторой характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени. Такими являются, например, намагниченные области поверхности жесткого диска компьютера или буквы на бумаге. Передача информации связана с характеристикой, которая изменяется с течением времени, например, амплитуда колебаний звуковой волны или напряжение в проводах. Другими словами, хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а распространение – с процессом, который протекает в носителе. Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую или иную основу, главным является их материальность.

Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом, а значение этой характеристики на некоторой шкале измерений, называется параметром сигнала. В зависимости от особенностей изменения этой характеристики с течением времени (параметра сигнала), сигналы подразделяются на непрерывные и дискретные.

Сигнал называется непрерывным (аналоговым), если его параметр может принимать любое значение в пределах некоторого интервала.

Примерами непрерывных сигналов являются речь, музыка, изображение, показание термометра и пр. В последнем случае параметром сигнала является высота столба спирта или ртути, имеющая непрерывный ряд значений.

Сигнал называется дискретным, если его параметр может принимать конечное число значений в пределах некоторого интервала. Примерами устройств, использующих дискретные сигналы, являются механические и электронные часы, цифровые измерительные приборы, книги, табло и др.

Пусть z обозначает параметр сигнала, а t – время, тогда непрерывная зависимость z(t) имеет вид а, а дискретная б (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Виды сигналов

9

Последовательность сигналов называется сообщением. Сообщение – это реальная форма представления информации в виде речи, текста, изображения, числовых данных, графиков, таблиц и т. п., имеющая признаки начала и конца ипредназначенная для передачи черезсреду связи.

Существуют следующие типы сообщений:

−запрос/вопрос (Который час?);

−ответ (10:00);

−команда (Решить уравнение, Руки вверх!);

−повествование (Светит солнце);

−уведомление (Вы зачислены);

−предложение (Давай познакомимся);

−новости – сообщения о событиях, произошедших недавно или происходящих в данный момент (Запущен космический корабль).

С понятием информации тесно связано понятие «данные». Приведем два распространенных определения.

Данные – информация, представленная в виде, позволяющем запоминать, хранить, передавать и обрабатывать её с помощью технических средств.

Данные – зарегистрированные сигналы, образы, рассматриваемые без привязки к их смыслу.

Крегистрации сигналов можно отнести: запись лекции в тетрадь, запись музыки на носитель, запись наблюдений в ходе эксперимента

ввиде чисел, графиков, фотографирование различных объектов, запоминание студентом материала на лекции, нарисованный план, запись данных в память компьютера, на жёсткий диск и т. д.

Данные и информация взаимосвязаны: любые данные несут в себе некоторую информацию. С другой стороны, информация каким-либо способом представляется с помощью данных.

Пример: человек слушает иностранную речь по радио, но не понимает её.

Происходит восприятие сигнала (регистрация данных), но нет процесса получения информации. Если записать это сообщение на носитель, т. е. зарегистрировать сигнал, и передать запись переводчику, то после перевода им содержания радиопередачи, радиослушатель получит информацию, которая содержится в ней. С другой стороны, даже не понимая иностранную речь, можно получить информацию о том, кто говорит – мужчина или женщина, в каком состоянии находится этот человек, а в некоторых случаях можно определить язык, на котором он говорит.

10