- •1. ИНФОРМАЦИЯ, ЕЁ СВОЙСТВА, ИЗМЕРЕНИЕ, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ
- •1.1. Информатика – предмет и задачи
- •1.2. Информация, ее виды и свойства
- •1.3. Представление об информационном обществе
- •1.4. Кодирование информации
- •1.5. Практическое занятие № 1. Системы счисления. Перевод чисел из одной системы счисления в другую. Арифметические операции в позиционных системах счисления
- •1.6. Кодирование текстовых и символьных данных
- •1.7. Кодирование графических данных
- •1.8. Кодирование звуковой информации
- •1.9. Структуры данных
- •1.10. Файлы и файловая структура
- •1.11. Измерение и представление информации
- •1.12. Теоремы Шеннона
- •1.13. Математические основы информатики
- •1.13.1. Алгебра высказываний (алгебра логики)
- •1.13.2. Элементы теории множеств
- •2. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
- •2.1. История развития вычислительной техники
- •2.2. Классификация компьютеров по сферам применения
- •2.3. Базовая система элементов компьютерных систем
- •2.4. Функциональные узлы компьютерных систем
- •2.5. Архитектура ЭВМ
- •2.6. Совершенствование и развитие архитектуры ЭВМ
- •2.6.1. Архитектуры с фиксированным набором устройств
- •2.6.2. Открытая архитектура
- •2.6.3. Архитектура многопроцессорных вычислительных систем
- •2.7. Внутренняя структура ЭВМ
- •2.7.4. Внешние запоминающие устройства
- •2.8. Внешние устройства компьютера
- •2.8.1. Видеотерминалы
- •2.8.2. Устройства ручного ввода информации
- •2.8.3. Устройства печати
- •2.8.4. Устройства поддержки безбумажных технологий
- •2.8.5. Устройства обработки звуковой информации
- •2.8.6. Устройства для соединения компьютеров в сеть
- •3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭВМ
- •3.1. Состав системного программного обеспечения
- •3.2. Операционные системы
- •3.3. Виды операционных систем и их базовые понятия
- •3.4. Процессы и потоки
- •3.5. Управление памятью
- •3.6 Организация ввода-вывода
- •3.7 Драйверы устройств
- •3.8 Файловые системы
- •3.9 Файловые системы Microsoft Windows
- •3.9.1. Файловая система FAT16
- •3.9.3. Файловая система NTFS
- •3.9.4. Сравнение файловых систем FAT16, FAT32 и NTFS
- •3.10 Операционная система Windows
- •3.11 Служебные программы
- •3.13 Прикладное программное обеспечение
- •3.13.1. ППО общего назначения
- •3.13.2. ППО специального назначения
- •3.17. Практическое занятие № 6. Табличный процессор Excel. Основные понятия и общие принципы работы с электронной таблицей. Создание и заполнение таблиц постоянными данными и формулами. Построение диаграмм и графиков
- •3.18. Практическое занятие № 7. Табличный процессор Excel. Сортировка и фильтрация (выборка) данных. Сводные таблицы, структурирование таблиц. Расчёты в Excel
- •4. БАЗЫ ДАННЫХ (БД) И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЗАМИ ДАННЫХ (СУБД)
- •4.1. Базы данных в структуре информационных систем
- •4.2. Классификация баз данных и виды моделей данных
- •4.3. Нормализация отношений в реляционных базах данных
- •4.4. Проектирование баз данных
- •4.5. Этапы развития СУБД. Реляционная СУБД Microsoft Access – пример системы управления базами данных
- •4.6. Практическое занятие № 8. СУБД Access 97. Создание однотабличной базы данных. Отбор данных с помощью фильтра. Формирование запросов и отчётов для однотабличной базы данных
- •5. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СЕТИ И ОСНОВЫ ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ
- •5.1. Назначение и классификация компьютерных сетей
- •5.2. Режимы передачи данных в компьютерных сетях
- •5.3. Типы синхронизации данных при передаче и способы передачи информации
- •5.4. Аппаратные средства, применяемые при передаче данных
- •5.5. Архитектура и протоколы компьютерных сетей
- •5.6. Локальные вычислительные сети (ЛВС) и их топологии
- •5.7. Физическая передающая среда ЛВС и методы доступа к ней
- •5.8. Примеры сетей. Глобальная сеть Интернет
- •5.9. Службы сети Интернет
- •5.10. Поиск информации в Интернет
- •5.10.1. Поисковые машины
- •5.12. Основы и методы защиты информации
- •5.13. Политика безопасности в компьютерных сетях
- •5.14. Способы и средства нарушения конфиденциальности информации
- •5.15. Основы противодействия нарушению конфиденциальности информации
- •5.16. Криптографические методы защиты данных
- •5.17. Компьютерные вирусы и меры защиты информации от них
- •6. ОСНОВЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОГРАММИРОВАНИЯ. МОДЕЛИ И ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
- •6.1. Алгоритм и его свойства
- •6.1.2. Графическое представление алгоритмов
- •6.2. Принципы разработки алгоритмов и программ для решения прикладных задач
- •6.2.1. Процедурное программирование
- •6.2.3. Функциональное программирование
- •6.2.4. Логическое программирование
- •6.2.5. Объектно-ориентированное программирование (ООП)
- •6.3. Методы и искусство программирования
- •6.4. Обзор языков программирования
- •6.5. Понятие о метаязыках описания языков программирования
- •6.6. Моделирование как метод решения прикладных задач
- •6.7. Основные понятия математического моделирования
- •6.8. Информационное моделирование
- •6.9. Практическое занятие № 11. Вычисления в среде Mathcad
- •6.10. Практическое занятие № 12. Вычисления в среде Matlab
- •СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
С.Д. ШАПОРЕВ
ИНФОРМАТИКА
Учебник
Санкт-Петербург
2007
Министерство образования и науки Российской Федерации Балтийский государственный технический университет «Военмех»
С.Д. ШАПОРЕВ
ИНФОРМАТИКА
Учебник
Допущено научно-методическим советом по математике вузов Северо-Запада в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся по направлениям 230100 «Инфор-
матика и вычислительная техника», 230200 «Информационные системы»
Санкт-Петербург
2007
УДК 004(075.8) ББК 32.81я73
Ш 24
УДК 004(075.8)
Шапорев С.Д.
Информатика: Учебник / Балт. гос. техн. ун-т. СПб., 2007. 305 с.
Рассмотрены основные разделы теоретических основ информатики, опреде- лённые стандартом федерального агентства по образованию для этой дисциплины: свойства и способы представления информации, архитектура электронно- вычислительных машин, их программное обеспечение, информационные системы
ибазы данных, компьютерные сети, основы алгоритмизации и технологии про- граммирования.
Все разделы снабжены лабораторными работами, посвящёнными освоению версий программных продуктов фирмы Microsoft, технологии работы в Интернете
иработы с двумя распространёнными математическими пакетами Mathcad и Matlab.
Предназначено для студентов технических вузов и читателей, интересую- щихся основными направлениями и методами информатики.
Ре ц е н з е н т ы: кафедра математического моделирования Санкт- Петербургского государственного технологического института (Технический университет) (зав. каф. д-р техн. наук, проф. В.А. Холоднов), д-р техн. наук,
проф. М.С. Попов
©С.Д. Шапорев, 2007
©БГТУ, 2007
1. ИНФОРМАЦИЯ, ЕЁ СВОЙСТВА, ИЗМЕРЕНИЕ, ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И КОДИРОВАНИЕ
1.1. Информатика – предмет и задачи
Термин “информатика” возник в 60-х годах ХХ века во Франции для названия облас- ти человеческой деятельности, посвященной автоматизированной обработке информации с помощью электронных вычислительных машин. Слово информатика (informatique) образо- вано слиянием слов информация (information) и автоматика (automatique) и означает “авто- матизированная переработка информации”. В англоязычных странах этому выражению со- ответствует термин computer science (наука о компьютерной технике).
Ясно, что не создание компьютера следует считать отправной точкой в возникнове- нии информатики, а решение общих методологических принципов построения и развития информационных моделей, изучение структуры и общих свойств информации, закономерно- стей информационных процессов.
Информатика – молодая наука, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах че- ловеческой деятельности, преимущественно с использованием компьютеров.
Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отрас- лей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации. Объектом при- ложения информатики также являются самые различные науки и области практической дея- тельности. Опишем составные части “ядра” современной информатики.
Фундаментальной основой информатики является математика. Ее раздел – математи- ческая логика – основа многих построений в информатике. Из других разделов математики используются: теория алгоритмов и теория автоматов, теория кодирования, теория формаль- ных языков и грамматик, исследование операций.
В ряде случаев информатика опирается на лингвистику, например, при создании язы- ков программирования высокого уровня; взаимодействует с философией в проблемах, свя- занных с фундаментальными свойствами информации, и с социологией в проблемах соци- альной информатики.
К настоящему времени информатика еще “не состоялась” как фундаментальная наука, ибо еще не открыты научные законы, связанные с информацией, нет общепринятого опреде- ления базовых понятий информации и информационного процесса. Даже из определения информатики следует, что это область технологическая, инженерная. Ей присущи черты и других групп наук – технических и гуманитарных.
С техническими науками ее роднят аспекты, связанные с созданием и функциониро- ванием машинных систем обработки информации. Именно, в состав информатики входят три взаимосвязанные части – технические средства (hardware), программные средства (software) и алгоритмические средства (brainware). Черты гуманитарной науки придает информа- тике ее участие в развитии и совершенствовании социальной среды, информационного об- щества и влияние на образ жизни людей в информационном обществе.
Итак, информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научного
Понятия, законы |
|
|
|
Понятия, законы |
||
естественных |
|
|
|
технических |
||
наук |
|
|
|
|
наук |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Информатика
|
|
|
|
Понятия, |
Понятия, |
|
|
||
законы общест- |
|
|
законы ма- |
|
венных наук |
|
|
тематики |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.1. Роль и место информатики в системе наук
знания (см. рис. 1.1).
1.2. Информация, ее виды и свойства
Все данные материального мира несут в себе информацию о происходящих событиях, являясь по сути регистрацией сигналов, возникающих в результате этих событий. Но данные не тождественны информации. Во многих случаях для того, чтобы получить информацию об объекте, данные надо преобразовать. Это обработка данных. Для обработки данных обяза- тельно применяется какой-нибудь метод.
Представление об информации различается в разных науках. В информатике это пер- вичное понятие. Такие понятия вводятся аксиоматически, т. е. не определяются, а лишь по- ясняются. В простейшем бытовом понимании с термином “информация” обычно ассоции- руются некоторые сведения, данные, знания и т. п.
Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им методов обра- ботки. Для передачи информации необходима какая-нибудь среда, которая называется кана- лом связи. Информация имеет некоторый набор свойств. Кроме того, она подразумевает не- кую возможность ее измерения в количественном или качественном плане.
Информация обладает рядом свойств, отличающих ее от других объектов природы. Дуализм информации характеризует ее двойственность. С одной стороны информа-
ция объективна в силу объективности данных, с другой – субъективна, в силу субъективно- сти применяемых методов. Понятие объективности и субъективности информации является относительным. Например, два человека читают одну и ту же книгу и получают подчас весьма разную информацию, хотя прочитанный текст, т. е. данные были одинаковы.
Полнота информации. Это свойство характеризует качество информации, т. е. сте- пень достаточности данных для принятия решения. Неполный набор данных оставляет большую долю неопределенности, в то же время избыточный набор создает повышенный информационный шум и вызывает необходимость применения дополнительных методов, например, фильтрации, сортировки и т. п.
Достоверность информации – это степень соответствия информации реальному объ- екту с необходимой точностью, т. е. проблема разделения полезного сигнала и шумов. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается.
Адекватность информации есть степень соответствия реальному объективному со- стоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой инфор- мации на основе неполных или недостоверных данных. Получение адекватной информации также затрудняется при недоступности адекватных методов.
Доступность информации – это возможность получения информации при необходи- мости. Доступность складывается из двух составляющих: из доступности данных и доступ- ности методов.
Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему момен- ту времени. Информация может устаревать. Поскольку информационные процессы растяну- ты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям.
Информация в виде сообщения передается с помощью носителя информации в виде сигналов. Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Он может быть дис- кретным или непрерывным (см. рис. 1.2 а, б). Пример дискретного сообщения – процесс чте- ния книги, информация в которой представлена дискретной последовательностью букв. Пример непрерывного сообщения – человеческая речь, передаваемая модулированной зву- ковой волной. Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное (такая процедура называется дискретизацией). Возможность дискредитации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер – циф- ровая машина, т. е. внутреннее представление информации в нем дискретно. Теоретическая база возможности дискретизации непрерывного сигнала заложена следующей теоремой.
|
|
t |
|
|
t |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
||
t1 t2 |
tn-1 tn |
t1 t2 |
|
tn-1 tn |
Рис. 1.2. Непрерывный и дискретный сигнал
Теорема 1.1 (теорема Котельникова ). Если непрерывный сигнал имеет спектр, ограниченный сверху частотой fmax , то этот сигнал полностью определяется последо-
вательностью своих значений в моменты времени, отстоящие друг от друга на интервал t =12 fmax .
Из этой теоремы следует, что, во-первых, непрерывная информация может быть дис- кретизирована, во-вторых, что после дискретизации непрерывный сигнал может быть вос- становлен точно.
Информация передается в виде сообщений, т. е. данных. Данные – это зарегистриро- ванные сигналы – объективная часть информации. Метод регистрации данных может быть любым: механическим, физическим, химическим и т. д. В соответствии с методом регистра- ции данные могут храниться и транспортироваться на носителях разных видов. Распростра- ненными носителями являются бумага, магнитные ленты и диски, оптические диски (CDROM), фотографии. Любой носитель характеризуется разрешающей способностью (количе- ство данных, записанных в принятой для носителя единице измерения) и динамическим диа- пазоном (логарифмическим отношением интенсивности амплитуд максимального и мини- мального регистрируемого сигнала).
Различают следующие основные операции с данными:
§сбор данных – это накопление информации;
§формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источни- ков, к одинаковой форме;
§фильтрация данных – уменьшение уровня шума, повышение уровня достовер- ности и адекватности;
§сортировка данных – упорядочение по заданному признаку с целью удобства;
§архивация данных – организация хранения в удобной и легкодоступной форме;
§защита данных – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных;
§транспортировка данных – прием и передача данных между участниками ин- формационного процесса;
§преобразование данных – перевод их из одной формы в другую в связи с изме- нением, например, вида носителя.
1.3.Представление об информационном обществе
Вистории развития цивилизации произошло несколько информационных револю- ций – преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере об- работки информации.
Первая революция связана с изобретением письменности. Появилась возможность пе- редачи знаний от поколения к поколению.
Владимир Александрович Котельников (1908 - 1997) – советский физик (радиотехник).
Вторая вызвана изобретением книгопечатания. Это сильно изменило само индустри- альное общество и организацию деятельности человека.
Третья обусловлена изобретением электричества. Появились радио и телефон, позво- ляющие оперативно изменять и накапливать информацию.
Четвертая – это изобретение микропроцессорной техники и появление персонального компьютера. Компьютеры стали мультимедийными, т. е. они обрабатывают различные виды информации: звуковую, графическую, видео и др. Средства связи получили повсеместное распространение, а компьютеры для совместного участия в информационном процессе со-
единились в компьютерные сети. Появилась всемирная компьютерная сеть Интернет, ус-
лугами которой пользуется значительная часть населения планеты.
Внаше время доступ к информации перестал быть уделом избранных, появилась воз- можность многократно увеличить объем обмена информацией, что привело к большим из- менениям в науке, культуре и общественной жизни. Стали внедряться информационные тех- нологии – процессы, использующие совокупность средств и методов сбора, обработки и пе- редачи данных для получения информации нового качества о состоянии объектов, процессов или явлений.
Виндустриальном обществе все направлено на производство и потребление товаров,
винформационном обществе производится и потребляется интеллект, знания. Это приводит к увеличению доли умственного труда. Человеческая цивилизация в развитых странах все более и более приобретает черты информационного общества.
Информационное общество – общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы – знаний. Если в индустриальном обществе были известны и использовались матери- альные, природные, трудовые, финансовые и энергетические ресурсы, то в информационном обществе появились информационные системы, накапливаются информационные ресурсы.
Информационные ресурсы – это знания, которые реализованы в виде документов и массивов документов в информационных системах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных и т. п.). Информационные ресурсы страны все чаще рассматриваются как стратеги- ческие ресурсы, аналогичные по значимости запасам сырья, энергии, ископаемых и прочим ресурсам. Информационная система – это взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах дос- тижения поставленной цели.
Возрастание объема информации породило парадоксальную ситуацию – в мире нако- плен громадный информационный потенциал, но люди не могут им воспользоваться из-за ограниченности своих возможностей. Внедрение ЭВМ, современных средств переработки и
передачи информации в различные сферы деятельности человека послужило началом нового эволюционного процесса, называемого информатизацией общества. Информатизация об- щества – организованный социально-экономический и научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей на основе форми- рования и использования информационных ресурсов.
Переход к информационному обществу сопровождается переносом центра тяжести в
100% |
|
85% |
|
Сфера материального |
|
75 |
производства и обслу- |
|
живания |
60% |
|
|
|
|
25 |
|
|
0 |
Инфор- |
|
мационная сфера |
||
1900 |
1950 |
2000 г. |
Рис. 1.3. Динамика перераспределения работ- |
||
ников из сферы материального производства в |
||
|
информационную сферу в ХХ в. |
|
экономике с прямого материального (сельскохо- зяйственного и промышленного) производства на оказание услуг, включая информационные. Вторая половина ХХ в. благодаря информатизации сопро- вождалась перетоком работающих из сферы мате- риального производства в информационную сферу. Более того, информатизация изменила характер труда в традиционных отраслях промышленности.
Происходит массовое сокращение рабочих мест за счет внедрения информационных технологий, ро- ботов, манипуляторов и т. п. (см. рис. 1.3).