Новые информационные технологии. Часть 1. Основы и аппаратное обеспечение / gl1

Глава 1. НОВЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

1.1. Информация и данные

1.1.1. Информация и ее роль в человеческом обществе

Информация относится к классу первичных понятий, по кото-

рым нельзя дать точного определения. Под ней обычно подразумевают некоторую совокупность сведений, позволяющих расширить наши представления о тех или иных объектах и явлениях окружающего нас мира, их взаимодействии и состоянии.

Люди издавна научились ценить и передавать информацию. Присущий нам от природы мозг не только способен хранить огромные объемы информации, но и перерабатывать ее и делать из этого определенные выводы. Однако мозг не может долго хранить информацию, она забывается и со смертью человека вообще теряется.

Человек имеет целый ряд органов для приема и передачи информации. Это органы зрения (глаза) и слуха (уши), а также голосовые связки и средства мимики. Благодаря этому человек способен принимать звуковую и зрительную информацию и передавать ее. Восприятие температуры кожей и запаха носом тоже способствует информационному обмену человека с окружающей средой и с особями своего (и не только) рода. Таким образом, человек изначально имел средства приема и передачи информации.

Уже первобытные люди обладали зачатками мышления и сознания. Многие миллионы лет тому назад они уже умели общаться жестами и криками, могли использовать простейшие орудия труда, такие, как камни и палки. Стремление освободить руки для их свободного применения привело к тому, что человек стал прямоходящим существом. В свою очередь, это освободило рот от удерживания предметов, таких, как кости, палки, не съеденные остатки пищи.

Это, как и увеличение информационного обмена между людьми привело к возникновению речи – этой уникальной возможности людей, которой, в столь развитой форме, не обладают другие объекты живой природы. Считается, что речь возникла примерно миллион лет тому назад.

Мозг человека способен ограниченное время хранить информацию, т.е. в информационной системе природа-человек он служит как бы оперативным запоминающим устройством. Первые попытки лю-

дей сохранить информацию дошли до наших дней в виде наскальных рисунков, а затем и надписей (рис. 1.1). Это случилось по крайней ме-

4

ре тридцать тысяч лет тому назад. Тем самым появились первые руко-

творные средства долговременного хранения информации.

Рис. 1.1. Каменная плитка показывает, что древним людям были известны матрицы – прямоугольные таблицы с числами

Позже люди научились

представлять и передавать информацию на большие расстояния с помощью костров на сопках, специальных сигналов (пример – сигнальщики на кораблях), с помощью звуков барабанов и бамбу-

ковых труб, световых маяков и т.д. Таким образом, они стали использовать внешние средства для информационного обмена. Основы кодирования информации были давно заложены азбукой Морзе, кодами сигнальщиков и тайнописью.

Затем уже появилась письменность и средства механической передачи записанной информации - почта. Намного позже, уже в наши дни, на смену гонцам и обычной почте пришли современные средства телекоммуникаций - от мобильного телефона и факса до спутниковой связи и всемирной компьютерной сети Интернета.

1.1.2. Информация и живая природа

Информация, как материя и энергия, является краеугольным камнем мира и окружающей природы, прежде всего живой. Характерным признаком живых организмов стала возможность восприятия ими информации об окружающей их среде, переработки этой информации и способности делать из нее выводы, важные для дальнейшего их поведения.

Открытие генов – единиц наследственной информации - произвело подлинную сенсацию и выдвинуло информационные процессы на роль первичных в развитии жизни. Открыто множество генов, которые как бы программируют рост, вес и окраску живых существ, предрасположенность их к тем или иным заболеваниям и т.д. Создание генной инженерии сделало возможным клонирование, т.е. размножение идентичных особей животных и даже людей.

5

1.1.3. Информационные революции

Обычно информация накапливается довольно медленно. Однако в некоторые периоды истории, часто связанные с крупными открытиями и техническими достижениями, объем информации начинает лавинообразно нарастать. При этом информация оказывает на жизнь людей столь большое значение, что происходит информационная революция – коренное изменение в значимости и технологии использования информации, оказывающих большое влияние на жизнь общества и экономику мира. Считается, что человеческое общество пережило четыре информационные революции:

1.Появление письменности как средства представления и долговременного хранения информации.

2.Появление книгоиздания в середине XIV века, позволившего в массовых масштабах тиражировать информацию и знания.

3.Применение электричества и радиоволн в конце XIX века для передачи информации на дальние расстояния, что привело к появлению средств телекоммуникаций, таких, как телеграф, телефон, радио и телевидение.

4.Создание микропроцессоров и разработка персональных компью-

теров, открывших возможности эффективной работы с информацией, представленной в цифровой форме, в том числе в Интернете.

Были революции и масштабом поменьше, например, связанные с изобретением фотографии и кинематографа. Но они повлияли на нашу жизнь все же не столь кардинальным образом, как указанные выше информационные революции.

1.1.4. Виды информации

Информацию часто классифицируют по ее наиболее характерным признакам:

•числовая информация, представленная цифрами и отражающая результаты некоторых вычислений;

•текстовая информация, представленная текстами в виде слов, составленных из символов того или иного языка;

•кодовая информация, представленная кодами (например, машинными или кодами для более компактного или зашифрованного представления информации, кодами азбуки Морзе или азбуки для глухонемых);

6

•графическая информация, представляющая графические объекты с учетом их геометрических и оптических свойств;

•акустическая информация, представленная звуковыми сигналами, как непосредственно в виде звуков, так и в виде электрических звуковых сигналов;

•телевизионная информация, представляющая изображения, видимые на телевизионном экране в телевизионном формате;

•видеоинформация, представляющая видеофильмы и кинофильмы в специальном формате.

Позже мы не раз коснемся характеристик и особенностей ин-

формации различного вида.

1.1.5.Понятие о данных и базах данных

Втеоретической и практической информатике, помимо информации, широко используются данные - невостребованная или необработанная информация, представленная в той или иной форме, например в виде множества чисел, слов или документов.

Попробуем разобраться в отличиях данных от информации. Например, следующий массив просто чисел представляет данные:

Эти числа могут быть номерами телефонов, кодами замков или кодами программ, табельными номерами работников предприятий и т.д. Но если оговорить, что это не просто цифры, а номера телефонов конкретных людей, то приведенные ниже данные становятся важной информацией

Данные могут храниться в базах данных – специальных устройствах для хранения информации на том или ином материальном носителе. Базами данных часто называют и документы, которые готовятся специальными программами, например системой управления базами данных Microsoft Access. Это одна из программ пакета для офисной работы Microsoft Office. Она обеспечивает быстрый поиск и обработку данных.

7

1.1.6. Размножение и накопление информации

Другим важным свойством информации является возможность ее размножения и накопления. Книгоиздание – один из самых известных примеров реализации этих возможностей. С появлением книг и печатного станка (его изобрел Иоганн Гутенберг еще в середине XV века) человек приобрел возможности тиражирования информации и ее накопления. В наши дни широкое распространение получили светокопировальные устройства, позволяющие в секунды получить копию листа с текстом и с рисунками.

В то же время надо учитывать, что информация постепенно утрачивается. Это связано как с прямой ее потерей, так и старением информации. В ходе старения информация теряет свою актуальность, а нередко просто забывается и теряется.

1.1.7. Знания

По мере накопления информации о каких-то объектах или явлениях формируются знания о них. Знания - это закономерности, принципы и связи, позволяющие специалистам ставить и решать задачи в своей предметной области. Вся система образования в сущности решает задачу предоставления ценных знаний множеству людей, учит их извлекать нужную информацию из массы получаемой и грамотно использовать ее в своей работе с целью создания новых знаний и новых ценностей – как гуманитарных, так и научно-технических.

Издавна знания передавались от человека к человеку, от мастера к ученикам, от профессора к студентам. Нередко эта цепочка прерывалась стихийными событиями, войнами и просто смертью учителя. Знания при этом терялись. Новые информационные технологии позволяют накапливать знания, надежно их хранить и предоставлять любому желающему их получить. Более того, появилась возможность обучения людей на расстоянии - дистанционное образование.

1.2.Понятия о передаче и обработке информации

1.2.1.Передача информации и сообщения

Важным свойством информации является возможность ее передачи. Для этого используются сообщения – материально реализованные представления информации, нередко определенным образом закодированной. Пример сообщения - обычное письмо на бумаге.

8

Почта – один из древнейших способов передачи сообщений в виде сообщений на бумаге. В некоторых странах, например в США, в ограниченных масштабах получила распространение голубиная и пневматическая почта. Последняя - это труба, в которой под давлением воздуха с той или иной стороны движется цилиндр с обычными бумажными сообщениями и даже небольшими предметами, например бумажными деньгами, монетами или ключами.

Люди научились также очень быстро (порою просто мгновенно) передавать информацию с помощью электрического тока в проводах (проводные линии связи), радиоволн (беспроводные линии радиосвязи) и света (оптические лазерные и световолоконные линии связи). При этом передается информация без такого привычного нам носителя, как бумага. Наступил век безбумажной обработки информации, хотя, в конечном счете, информационные сообщения всегда можно распечатать печатающим устройством – принтером. Передача сообщений на дальние расстояния привела к возникновению телекоммуникаций. А на смену обычной почте пришла электронная почта, входящая во всемирную компьютерную сеть Интернета. По электронной почте ныне можно передавать не только объемные текстовые материалы, но и звуки, изображения, рисунки и даже видеофильмы.

К сожалению, между объемом информации и реальной ее ценностью нет прямой взаимосвязи. В итоге телеграмма на одном листке бумаги, содержащая одно-два слова (например, «Люблю!», «Жду!» или «Сегодня приезжаю!»), порою может быть гораздо ценнее пространного опуса о влиянии гравитационных полей на время сна домашних животных.

Также нет и прямой взаимосвязи между информацией самой по себе и носителем, ее несущим, в ходе передачи информации. Одну и ту же информацию можно передать публикацией статьи в газете или журнале, в радиопередаче и в телепередаче, по телеграфу или по телефону, по трансатлантическому кабелю или по световолокну или спутниковому каналу связи.

1.2.2. Непрерывные (аналоговые) сигналы

Для быстрой передачи сообщений используются сигналы, которые представляют собой наложение сообщений на тот или иной носитель информации, способный быстро перемещать сигналы. Физическая природа сигналов может быть самой различной – ток в проводах, звуковые и электромагнитные волны или свет.

9

Сигналы могут быть аналоговыми (непрерывными) и дискретными, т. е. представляемыми дискретными уровнями. Аналоговые сигналы характеризуется плавным и непрерывным изменением их параметров, например величины электрического тока или напряжения для электрических сигналов. Примером такого сигнала является синусоидальный электрический сигнал (рис. 1.2)

u(t) = Uм sin(ω t+ϕ),

где Uм – амплитуда синусоидального сигнала, ω - круговая частота и ϕ - фаза.

Рис. 1.2. Синусоидальный (a), амплитудно-модулированный (б) и час- тотно-модулированный (с) сигналы

Круговая частота связана с обычной частотой выражением

ω = 2 π f = 2 π/T.

Частота f - это число периодов T синусоидального сигнала в единицу времени (секунду или с). Она измеряется в герцах (Гц). Один Герц это один период колебаний в секунду (единица названа в честь Герца, теоретически обосновавшего существование электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве).

Фундаментальное значение синусоидального сигнала состоит в том, что этот сигнал является стационарным. Это значит, что его параметры Uм , ω и ϕ являются постоянными величинами. Этот сигнал определен во времени в пределах от –∞ до +∞. Он периодический u(t)= u(t+T) и симметричный u(t)=- u(-t).

Можно сказать, что синусоида описывает простейшее (а потому названное гармоническим) движение, параметры которого неизменны. Однако основные параметры этого сигнала могут непрерывно и плавно меняться во времени. Такое изменение называется модуляцией сиг-

10

нала. Например, амплитудная модуляция (рис. 1.3,б) описывается выражением:

u(t) = Uм(t) sin(ωt +ϕ),

где Uм(t) – зависимость амплитуды от времени. Сигнал такого вида называется амплитудно-модулированным. Строго говоря, он является уже нестационарным и даже не синусоидальным.

Если Uм(t) несет некоторую информацию, то говорят о наложении этой информации на синусоидальный сигнал. И если такой сигнал имеет высокую частоту f=1/T, то сигнал может распространяться в свободном пространстве как электромагнитная волна со скоростью света (300 000 км/c). На этом и основана радиосвязь. Расстояние, которое проходит волна за один период, называется длиной волны. Отсюда пошло деление волн на короткие и ультракороткие, средние и длинные волны.

Заметим, что синусоидальный сигнал может моделироваться еще и по частоте, и по фазе. Этому соответствует частотная модуляция (рис. 1.2,в) и фазовая модуляция, которые (как и их комбинации) широко используются на практике в радиотехнических системах.

Аналоговые сигналы одного вида легко преобразуются в аналоговые сигналы другого вида. Например, микрофон преобразует звуковые колебания в электрические звуковые сигналы. Если звуковой сигнал синусоидальный, то сигнал на выходе микрофона будет синусоидальным напряжением с примесью некоторого шума e(t):

u(t) = Кп A(t) sin(ωt +ϕ) + e(t) = Uм(t) sin(ωt +ϕ) + e(t),

где Kп – коэффициент преобразования силы звука в электрическое напряжение. Если Kп = const и не зависит от уровня сигнала, то преобразование считается линейным. В ином случае оно будет нелинейным. При линейных преобразованиях форма синусоидального сигнала не меняется, хотя может возникнуть его сдвиг по фазе.

Самым неприятным моментом в использовании аналоговой информации является ее засоренность шумами самой различной природы. Все электронные компоненты имеют шумы, и они неизбежно усиливаются в ходе усиления и преобразования сигналов. Это принципиально препятствует точному копированию аналоговой информации. Об этом хорошо знают владельцы аналоговых магнитофонов и видеомагнитофонов – при копировании записей их качество ухудшается от записи к записи.

11

На практике используется великое множество и несинусоидальных сигналов, например импульсные сигналы пилообразной, прямоугольной и иной формы. Математик Фурье строго доказал, что такие периодические сигналы могут быть представлены суммой синусоидальных сигналов с кратной их частоте повторения частотой k f1, где k = 1,2,… - целое число и f1 – частота повторения сигнала. Эти сигналы называют гармониками, а значение k – номерами гармоник. Синусоидальный сигнал с частотой f1 есть первая гармоника, а сигналы с более высокими частотами называют высшими гармониками. Линейные преобразования сигналов не меняют состав гармоник, называемый спектром, а нелинейные приводят к его изменению, т. е. появлению новых гармоник.

1.2.3. Дискретные и цифровые сигналы

Дискретные сигналы - это сигналы, которые можно представить дискретными уровнями их параметров. Скажем, выключатель света в вашей комнате может быть либо только включенным, либо только выключенным. Сигнал о его состоянии будет дискретным и двоичным. Если этих уровней много, можно говорить о цифровом представлении информации. Сигналы, мгновенные значения которых представлены числами, принято называть цифровыми сигналами.

Аналоговый сигнал можно квантовать, т. е. представлять его рядом ступенек, высота которых задается уровнем сигнала в начале каждой ступеньки (в момент выборки) и остается неизменной на протяжении каждой ступеньки (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Квантование электрического сигнала синусоидальной формы

В общем случае производят выборку (вырезку) сигналов в определенные моменты времени (рис. 1.4). Они могут равномерно или неравномерно отстоять друг от друга. Выборку электрических сигналов

12

и их представление в виде чисел или кодов конечной разрядности вы-

полняют так называемые аналого-цифровые преобразователи - АЦП.

В результате на выходе АЦП мы имеем дискретный сигнал, представленный потоком чисел (кодов). Главные показатели АЦП - это их разрядность (число уровней квантования, обычно выражаемое в двоичном виде) и скорость выполнения преобразований (число операций в секунду).

Рис. 1.4. Аналоговый сигнал произвольного вида и его выборки

Обратное преобразование цифровой информации в аналоговую выполняют цифро-аналоговые преобразователи – ЦАП. Для наиболее распространенных электрических сигналов АЦП и ЦАП выпускаются в виде больших интегральных микросхем, особенности которых мы рассмотрим чуть ниже.

1.2.4. Типичный пример цифровой системы записи информации

На преобразовании аналоговых сигналов в цифровые и наоборот основана работа многих устройств и систем (рис. 1.5), например.

Рис. 1.5. Система цифровой записи информации на жесткий диск компьютера

Аналоговая информация в системе с помощью АЦП преобразуется в цифровую, пред-

ставленную в виде двоичных чисел. Через усилитель импульсов она в

13