Кафедра прикладной математики

ЛЕКЦИЯ № 2.

Тема: «информационные процессы. Понятие системы. Информационная компьютерная система»

1. ПОНЯТИЕ ОБ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССАХ.

Современная информатика – это целый комплекс научных направлений, который объединяет понятие «информационные процессы».Информационные процессы – это любые действия, которые выполняют с информацией. Обучение, получение информации из газет и журналов, радио и телевидения, перевод текстов с одного языка на другой, решение математических и логических задач, разных жизненных проблем, принятие руководящих решений, обработка разнообразных документов – все это примеры информационных процессов. Среди разнообразных информационных процессов есть три основных типа:хранение, передача и обработка информации.Они всегда присутствуют в других, более сложных информационных процессах.

История развития человеческой деятельности неразрывно связана с развитием способов отбора, накопления, передачи информации и ее обработки. Возникновение печатной машины, телефона, телеграфа, радио, диктофона, телевидения, компьютера, современных способов наземной и космической связи – такие этапы и пути становления и триумфа информационной эры. Все большего содержания получает высказывание Н.Винера: «действительно жить – это значить жить, владея правильной информацией».

Основные методы получения и использования информации:

1. эмпирические: наблюдение, сравнение, измерение, эксперимент;

2. теоретические: путь от абстрактного к конкретному, идеализация, формализация (математическое формальное описание), аксиоматизация, виртуализация (получение знаний об объекте путем создания особой среды, ситуации, которые в реальных условиях без этой среды невозможно реализовать и получить соответствующую информацию);

3. эмпирическо-теоретические (смешанные, полуэмпирические).

В наше время используют еще и мониторинг (систему наблюдений и анализа состояний системы), деловые игры и ситуации, экспертные оценки и имитационное моделирование.

Очень важным для жизни каждого человека и общества является сохранение информации. Еще в древности человек столкнулся с необходимостью сохранения информации. Для этого делались зарубки на деревьях, осуществлялся подсчет с помощью камешков, создавались наскальные надписи. С появлением письменности возникла возможность фиксации информации в виде документов, в частности, рукописи. Это был первый информационный прорыв в истории человечества. Суть его в том, что человек для запоминания информации (ее сохранения) начал, кроме своей головы, использовать разные дополнительные приспособления. Книгопечатание стало вторым информационным прорывом в истории человечества. Для сохранения информации человек использует разные носители и хранилища информации.

Носитель информации– это физическая среда, на котором (или в середине которой) можно зафиксировать информацию. Информация, зафиксированная каким-нибудь образом на носителях, называетсяданными.Хранилище информации– это определенным образом организованная на внешних носителях информация, предназначенная для долгосрочного хранения и постоянного использования. Основные характеристики хранилища информации:объем, надежность, время доступа (время поиска необходимых сведений), наличиезащиты информации. В современных условиях для сохранения информации используют разнообразные технические приспособления. Среди них особое место занимают компьютеры, поскольку позволяют компактно хранить большие объемы данных и осуществлять к ним быстрый доступ. Сохранение информации – это способ распространения ее в пространстве и во времени.

Основные хранилища информации:

• Для человека – память. Память человека оценивается разными исследователями по-разному: от миллиарда до тысячи триллионов байт (больше в миллиард раз, чем внутренняя память современных мощных компьютеров). Человек запоминает информации на основе ассоциативного принципа.

• Для общества: библиотеки, архивы, музеи, картинные галереи, патентные бюро, видеотеки, фонотеки, компьютерные хранилища (базы и банки данных, информационно-поисковые системы, электронные энциклопедии).

Для сохранения информации используют рукописные, топографические, специальные имашинные приспособления.Специальные– это кинодокументы, фотодокументы и т.д.Машинные– это перфорационные, магнитные, оптические и магнитно-оптические приспособления.

1. ФОРМЫ И СПОСОБЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ.

Информация передается от источника к адресату в материально-энергетической форме (в виде электрических, световых, звуковых и других сигналах). Общая схема передачи информации была предложена американским ученым Клодом Шенноном в 1949 году.

Источник информации- объект, который создает сообщение.

Передатчик– это объект, который преобразует сообщение в сигнал. В системе связи сами сообщения не передаются, поскольку их форма не позволяет вести передачу по каналу (линии) связи. Например, если каналом является нерв, то по нему невозможно передать непосредственно световые или звуковые действия. Назначение передатчика – преобразование сообщения в форму, которая отвечает физическим характеристикам линии связи. Результатом преобразования сообщений передатчиком являются сигналы.

Сигнал– это материальный носитель информации, с помощью которого осуществляется связь (например, сигналами в нервной системе являются импульсы нервных клеток). Сигнал принимается в результате выполнения одной или совокупности таких операций в передатчике, как преобразования, кодирования и модуляции.

Канал связи– это среда, в которой передается сигнал. Сигнал при передачи по линии связи подвергается действию шумов (помех) и искажается. Канал связи – это такая линия связи, по которой может передаваться в каждый момент только одно сообщение. Линии или каналы связи могут бытьоднороднымиинеоднородными. Неоднородная линия связи складывается из участков разной физической природы. Во время передачи по ней необходимо осуществить соответствующие преобразования сигнала. Линии связи могут комплектоваться корректирующими и усиливающими устройствами. Канал (линия) связи характеризуется пропускной способностью и защитой от помех (шумов).Пропускная способность канала связи–это максимальное количество знаков (символов), которые передаются по каналу при отсутствии помех, и зависит от физических особенностей канала. Для повышения защиты канала от помех используют специальные методы передачи сообщений, которые уменьшают влияние шумов. Например, вводят лишние символы, которые не несут действительного содержания, а используются для контроля правильности сообщения при его получении.Количество знаков (символов), которые передаются за единицу времени,естьскорость передачи информации,илискорость информационного потока. Поскольку по каналам связи передается информация в виде последовательности единиц и нулей (точнее, их физических кодов), то наименьшая единица измерения информациибитинтерпретируется как количество информации, которую несет один двоичный символ «0» или «1». Восемь битов составляют1 байт. Скорость информационного потока измеряется в битах за секунду (бит/с) и в байтах за секунду (байт/с). В роли каналов связи используют эфир (электронно-магнитные волны), кабельную связь, оптические светопроводы и цифровые каналы.

Приемник– это объект, устройство или ряд устройств, которые получают сигнал. Приемник отделяет полученный сигнал из шумов и выполняет операции, обратные по отношению к передатчику: декодирование, демодуляцию, в результате чего восстанавливается переданное сообщение.

Адресат– это объект, для которого предназначено сообщение.

Источник шумов– условное объединение всех факторов, которые действуют в системе связи и мешают правильному приему сигналов. Шумы могут появляться как извне, так и в середине системы связи. В теории связи предметом изучения являются случайные шумы, поскольку борьба с известными и регулярными шумами (помехами) не вызывает особых сложностей.

По схеме Шеннона реализуются все способы дистанционной передачи информации (телекоммуникации в широком понимании): радио, телевидение, телефон, телеграф, телетайп, телекс, телефакс, а также компьютерные телекоммуникации. Телекоммуникация– это обмен информацией на расстоянии.

2. ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ.

Обработка информации– это процесс преобразования информации из одного вида в другой (или тот самый), который выполняется по строгим формальным правилам. Обработка информации не обязательно включает себя ее восприятие или осмысление. На этом базируется возможность автоматизированной обработки информации, в частности, компьютером.

Существует два основных типа обработки информации:

1. Обработка, связанная с получением новой информации, определенного содержания знаний. К этому типу принадлежат решения математических и других задач путем применения логических рассуждений.

2. Обработка информации, связанная с изменением ее формы, но не содержания. К этому типу принадлежат такие виды обработки информации, как поиск, структурированиеикодирование.

Поиск информацииосуществляется в некотором хранилище информации – информационном массиве. Примерами таких массивов являются словари, телефонный справочник, каталог книг, расписание полетов самолетов, данные о студентах определенного факультета. В данном информационном массиве необходимо найти информацию, которая удовлетворяет определеннымусловиям поиска. Например, надо найти фамилии студентов первого курса, которые являются отличниками в учебе и берут участие в кружках художественной самодеятельности. Поиск всегда осуществляется по определенным правилам.

Структурирование информационного массивасостоит в том, чтобы преобразовать этот массив в структуру заранее заданной формы. Например, упорядочить список студентов групп, курсов по их фамилиям в алфавитном порядке.

Кодирование– это преобразование информации из одной формы в другую с сохранением ее содержания.

Обработка информации выполняется по строго определенным правилам – алгоритмам. Тот, кто реализует процесс обработки информации, называютпроцессоромв широком понимании. (Процессор в узком понимании – это специальное устройство для обработки информации.) В роли процессора может быть человек или определенный автомат, в частности, компьютер. Процессор обрабатывает исходную информацию (входные данные) по соответствующей программе.Программа– это алгоритм решения задачи, записанной на языке процессора. Результатом такой обработки информации является выходная информация (выходные данные) –результаты. Следует отметить, что обработка информации включает в себя процессы кодирования и декодирования. Кодирование необходимо для того, чтобы подать входные данные и алгоритм их обработке на языке процессора (в широком понимании), а декодирование реализует процесс, обратный кодированию, - переводит результаты обработки информации (выходные данные) с языка процессора на язык пользователя.

Таким обратом, процесс обработки информации выполняется по следующей схеме:

По такой схеме, в частности, обрабатывает информацию компьютер.

2. ПОНЯТИЕ О СИСТЕМАХ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ.

Важным понятием современной науки, в частности информатики, является понятие системы. Существует много определений понятия система, но ни одно из них не является общепринятым. Во всех определениях подчеркивается, чтосистема – это целостный комплекс взаимосвязанных элементов, который имеет определенную структуру и взаимодействует с некоторой «средой».С развитием науки постепенно появились разные уровни абстрактного описания систем: символический (лингвистический), теоретико-множественный, логико-математический, теоретико-информационный и другие. Наивысший уровень этого абстрагирования – лингвистический. Из него, как отдельные случаи, можно получить другие уровни описания систем более низкого ранга. В эти вопросы рассматриваются вобщей теории систем. Общая теория систем – это наука, которая изучает и решает философские, методологические, конкретно-научные и прикладные проблемы, проблемы анализа и синтеза систем произвольной природы.

Под системойбудем понимать множество элементов, которые находятся в определенных отношениях и связях, которое создает определенную целостность, единство. Главная особенность любой системы – это возникновение «системного эффекта», суть которого состоит в том, что при объединении элементов в систему в ней возникают новые особенности, не присущие ни одному из ее элементов отдельно (целое – больше суммы своих частей). Например, компьютер, мозаика, троллейбус имеют особенности, которых не имеет ни один элемент (деталь), из которых они состоят. Системы разделяются наматериальные, нематериальные (абстрактные)исмешанные.

Материальные системы–это системы неорганической природы (физические, геологические, химические и др.), живой природы (простейшие биологические популяции, виды, экологические системы).Особый класс материальных живых систем составляют социальные системы (от простейших социальных объединениях до социально-экономической структуры общества).

Абстрактные системы – это понятия, гипотезы, теории, научные знания о лингвистических системах и др.

Смешанные системы – это объединение элементов и отношений материальных и абстрактных систем.Примерами смешанных систем являются система школьного образования, высшего образования, система обороны страны и т.д.

Для наглядности представления состава и структуры системы широко используют таблицыиграфы. На графе компоненты системы изображают еговершинами– точками, связи между ними – линиями (дугамиилиребрами). Дуга – это направленная линия, а ребро – не направленная линия. Часто структуры представляют в виде размеченных графов.Размеченный– это граф, с вершинами или линиями которого связана некоторая дополнительная информация, называемаявесом вершиныилилинии.

Понятие системы лежит в основе системного анализа. Системный анализ– это процесс исследования объекта и описание его в виде системы; это – описание его элементного состава и структуры. Процесс преобразования множества объектов в систему называетсясистематизацией. Систематизация знаний есть основой всех наук. С систематизацией тесно связано понятие классификации.Классификация– это раздел большого множества на подмножества (части) так, что объекты, которые входят в состав подмножества, имели хотя бы один общий признак. Подмножество объектов, которым присущи общие признаки, называетсяклассом, а признаки, по которым один класс отличается от другого класса, –основой классификации. С точки зрения теории систем, классификация является структурированием данного неупорядоченного множества, преобразованием его в систему. Системный подход для изучения объектов и явлений – доминирующий в современной науке.

Одним из наиважнейших понятий информатики, которое широко используется в теории и практике, есть понятие «знаковая система».Знаковая система – это совокупность знаков, построенная таким образом, что знаки находятся в определенных связях и отношениях один с другим.Знак – это элемент некоторого конечного множества попарно разных элементов.Знаки разделяются на языковые и неязыковые. Языковые знаки используются в сообщениях, которые сформированы согласно с правилами определенного языка и используются в процессе общения между людьми, передачи информации между техническими устройствами. Примерами неязыковых знаков являются знаки планет, зодиака, военных, дорожные знаки и др. С помощью знаков подается дискретная информация.

Языковые знаки – это знаки для построения определенного языка. Язык – это способ для подачи дискретной информации и обмена ею. Языки разделяются наразговорные (природные)иформальные (искусственные).Природные языки предназначены для общения между людьми и имеют национальный характер. В привычном языкеязыковые знакиразделяются на звуковые, рукописные и топографические. Языковыми сообщениями в письменной форме является запись знаков письма (графем)в некоторой последовательности. Это можно сделать и для устных сообщений, если разложить устный текст на элементарные составные части –фонемы, а под знаками иметь в виду фонемы.Конечный набор знаков, в котором определен порядок, называется алфавитом. Каждый природный язык имеет три основные составляющие:алфавит, синтаксис исемантику. Обычный язык служит способом общения между людьми. Одной из особенностей обычного языка является ее неоднозначность. Эту особенность не стоит считать ее недостатком, так как именно неоднозначности мы обязаны богатству языка, его оборотам, которые выражают множество оттенков и тонкостей словоупотребления. Но обычный язык не приспособлен как способ общения между людьми и машинами. Для общения с машиной необходимо разработать языки, которым соответствует однозначно определенная лексика и четкая грамматическая структура. Это – формальные языки.

Формальный язык – это язык, словарь которого или все правильные слова можно построить на основе формальных правил из конечного множества знаков.Примерами формальных языков являются язык математики, химии, языки для описания алгоритмов и программ. Каждый формальный язык задается алфавитом и грамматикой – системой формальный правил, с помощью которых из знаков (букв) заданного формального алфавита строятся правильные слова (конструкции) данного языка.

Пусть задан абстрактный алфавит – конечное множество попарно разных знаков:

.

Количество букв алфавита называют его мощностью. Любая конечная последовательностьА, состоящая из букв алфавита, называетсясловом. Количество букв в слове определяетдлину слова. Для того чтобы из слов, построенных из формального алфавитаА, выделить правильные в каком-нибудь понимании слова, задаютформальную грамматику.Таким образом, формальный язык целиком однозначно задается определенным абстрактным алфавитом и формальной грамматикой. Для понимания правильных слов (конструкций) данного языка строят соответствующуюсемантику. Таким образом, каждый формальный язык, как и обычный, имеет три составляющие:алфавит, грамматику (синтаксис) исемантику. К формальным языкам принадлежат алгоритмические языки и языки программирования.Алгоритмические языкипредназначены для четкой и однозначной записи алгоритмов в виде некоторой последовательности указаний.Язык программирования– это язык, предназначенный для записи алгоритмов, которые будут выполнены с помощью алгоритмов.

3. ПОНЯТИЕ ОБ ИНФОРМАЦИОННОЙ (КОМПЬЮТЕРНОЙ) СИСТЕМЕ.

Компьютер – это многофункциональная электронная автоматическая машина для сбора, обработки и передачи информации.Информация (данные) представляется в компьютере с помощью дискретных физических сигналов (цифровых сигналов), а для их обработки используется программный способ задания алгоритмов.Работа компьютера имитирует (моделирует) информационную деятельность человека.

Архитектура ЭВМ–это описание совокупности устройств и блоков ЭВМ, а также связей между ними. Кроме того, архитектура – это описание принципа действия ЭВМ. Для выполнения любых действий компьютеру необходима программа.Программа – это совокупность команд, которые может выполнять вычислительная машина.Благодаря программе ЭВМ действует заранее предписанным ей образом, и процесс вычисления производится автоматически.Данные–информация, предназначенная для обработки в ЭВМ. Данными могут быть числа, текст, изображения, звуки.