Теоретические основы информатики

Лекция 1

Теоретические основы информатики

1.1. Понятие информатики

1.2. История развития информатики

1.3. Место информатики в ряду других фундаментальных наук

1.4. Мировоззренческие экономические и правовые аспекты информационных технологий

Понятие информатики

Информатика ( Computer Science ) - это наука о структуре, свойствах, закономерностях и методах создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и использования информации.

Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей - технических средств ( hardware ), программных средств ( software ), алгоритмических средств ( brainware ).

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники.

История развития информатики

Хранение информации:

- наскальные изображения (20-25 тысяч лет назад);

- пергаментные свитки (г. Пергам, 2 век да н.э.);

- бумага (Китай, 2 век н.э.; Европа, XI век н.э.; до XV века – рукописные);

- книгопечатание (середина XV века Иоганн Гуттенберг; Россия – середина XVI века Иван Федоров);

- фотография (1839 г. Франция, Л.Дагер и Ж.Ньепс; 1841 г. Великобритания, У.Голбот);

- фонограф (диктофон – середина XIX века);

- кино (1985 г. Демонстрация первого кинофильма братьями Люмьер на аппарате собственного изобретения);

- магнитофон – запись звука на магнитную ленту;

- видеомагнитофон – запись изображения со звуковым сопровождением на магнитную ленту;

- компьютерные носители информации.

Передача информации:

- речь, слух, зрение – средства ближней связи;

- почта – средство дальней связи;

- костровая связь (сигнальные огни, дымы) – увеличение скорости передачи;

- оптический телеграф – семафоры на расстоянии прямой видимости (1794 г., 1200 км за 15 минут);

- электрический телеграф (1832 г. Россия, П.Л.Шеллинг; 1837 г. США – телеграфный аппарат С.Морзе);

- телефонная связь (1876 г. США, А.Белл);

- радиосвязь (1895 г. Россия, А.С.Попов);

- телевидение;

- компьютерные сети.

Обработка информации:

- пальцы;

- абак (в России на рубеже XVI-XVII веков);

- таблицы логарифмов и палочки Непера (начало XVII века шотландец Дж.Непер);

- логарифмическая линейка (1630 г. Уильям Отред и Ричард Деламейн);

- машина Паскаля (1642-1645 г. Франция, Б.Паскаль);

- арифмометр (1673-1694 г. Германия, Готфрид Вильгейм Лейбниц, идеи Блеза Паскаля);

- микрокалькулятор;

- ЭВМ.

Место информатики в ряду других фундаментальных наук

Фундаментальная наука – наука, изучающая объективные законы природы и общества, осуществляющая теоретическую систематизацию знаний о действительности.

Связь информатики с другими науками представлена на рисунке.

Рисунок - Связь информатики с другими науками

Мировоззренческие, экономические и правовые аспекты информационных технологий

Мировоззренческий аспект развития информационно-коммуникационных методов обучения связан с необходимостью ликвидации сложившихся стереотипов, изменения взглядов на образование как устоявшуюся и неизменную систему.

Юридический аспект информационно-коммуникационного обучения отражает необходимость адекватного правового сопровождения данной формы образования в России и странах СНГ. Следует отметить, что в российском образовании преобладала ориентация преимущественно на групповые (классно-урочную, лекционно-семинарскую) системы.

Финансово-экономический аспект развития информационно-коммуникационного образования представляется одним из наиболее актуальных в современной социально-экономической ситуации. Как показывает проведенный анализ, внедрение новых технологий приводит к существенной экономии средств за счет снижения затрат на транспорт, на строительство и эксплуатацию новых зданий, в том числе студенческих общежитий, и по целому ряду других позиций.

Лекция 2

Информация, ее виды и свойства

2.1. Понятие информации и ее измерение

2.2. Количество и качество информации

2.3. Единицы измерения информации

2.4. Информация и энтропия

2.5. Свойства информации

2.6. Сообщения и сигналы

2.7. Кодирование и квантование сигналов

Количество и качество информации

Количество информации – мера уменьшения неопределенности состояния данной системы после получения сообщения.

Качество информации – совокупность свойств информации, характеризующих степень ее соответствия потребностям (целям) пользователей.

Единицы измерения информации

Объем информации измеряется в битах (двоичная система) и дитах (десятичная система). Так четырехразрядное десятичное число имеет объем данных 4 дит, а восьмиразрядный двоичный код – 8 бит.

Более крупные единицы информации

- 1 байт = 8 бит,

- 1 Килобайт = 1024 байт = 2¹⁰ байт,

- 1 Мегабайт = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт,

- 1 Гигабайт = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт,

- 1 Терабайт = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт,

- 1 Петабайт =1024 Тбайт = 2⁵⁰ байт.

Информация и энтропия

Для измерения количества информации в качестве меры неопределенности вводится энтропия (H):

I = H_apr - H_aps,

где H_apr – априорная энтропия, а H_aps – апостериорная энтропия.

Если система A описывается полной совокупностью (N) состояний a_i и равными вероятностями их появлений p_i, составляющими в сумме единицу:

Энтропия такого объекта равна логарифму числа состояний (Р.Хартли). В зависимости от основания логарифма применяют следующие единицы измерения:

- биты - ;

- наты - ;

- диты - .

Если вероятности наступления событий разные, то энтропия такой системы вычисляется по формуле К.Шеннона:

Свойства информации

Информацию можно классифицировать по различным признакам:

Классификационный признак	Виды
Сфера возникновения	Элементарная Биологическая Социальная
Способ передачи и восприятия	Визуальная Аудиальная Тактильная
Сфера общественного назначения	Массовая Специальная Личная
И другие

Информация характеризуется тремя категориями свойств: атрибутивными, прагматическими и динамическими.

Атрибутивные свойства- необходимые свойства, те, без которых информация не может существовать.

Прагматические свойства характеризуют степень полезности информации для практики.

Динамические свойства характеризуют изменение информации во времени.

Динамические свойства информации в значительной мере влияют на характеристики информационных процессов.

Свойства информации: адекватность, репрезентативность, содержательность, достаточность, доступность, актуальность, своевременность, точность, достоверность, устойчивость.

Сообщения и сигналы

Сообщение — это форма представления информации в виде речи, текстов, жестов, взглядов, изображений, цифровых данных, графиков, таблиц и т.п.

Обмен информацией между воспринимающей информацию системой и окружающей средой осуществляется посредством сигналов.

Сигнал – изменяющийся во времени физический процесс.

Если параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений, сигнал называется дискретным, а соответствующее сообщение – дискретным сообщением.

Если параметр сигнала непрерывная функция от времени, то сигнал – непрерывный (аналоговый), а соответствующая информация называется непрерывной.

Сигнал можно определить как средство перенесения информации в пространстве и времени. В качестве носителя сигнала могут выступать звук, свет, электрический ток, магнитное поле и т.п.

Лекция 3

Информационные процессы

3.1. Информационный процесс в автоматизированных системах

3.2. Фазы информационного цикла и их модели

Лекция 4

Информационные технологии

Информационная технология (ИТ)- процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.

Новая информационная технология - информационная технология с " дружественным" интерфейсом работы пользователя, использующая персональные компьютеры и телекоммуникационные средства.

Информационная культура– совокупность знаний, умений и навыков, связанных с пониманием закономерностей информационных процессов в природе, обществе и технике.

Лекция 5

Лекция 6

Лекция 7

Обработка информации

5.1. Основные виды обработки данных

5.2. Обработка аналоговой и цифровой информации

5.3. Устройства обработки данных и их характеристики

Лекция 8

Алгоритмизация

6.1. Понятие и свойства алгоритма

6.2. Принцип программного управления

Лекция 9

Лекция 10

Лекция 11

Передача сигналов

9.1. Виды и характеристики носителей и сигналов

9.2. Спектры сигналов

9.3. Модуляция и кодирование

Виды носителей сигналов

Если обозначить параметры носителя через , то носитель как функция времени может быть представлен в виде:

Модулированный импульс (сигнал) можно описать в виде:

где - переменная составляющая параметра носителя, несущая информацию, или модулирующая функция. Последняя обычно связана с информационной (управляющей) функцией x линейной зависимостью:

где K - коэффициент пропорциональности.

Первый тип носителя - постоянное состояние, например, постоянное напряжение имеет только один информационный параметр; это в данном случае - значение напряжения, причем модуляция сводится к такому изменению напряжения, чтобы оно в определенном масштабе представило передаваемые данные. При этом может изменяться и полярность напряжения.

Второй тип носителя - колебания, например переменное напряжение содержит три таких параметра: амплитуду U, фазу φ, частоту ω (или период T=2π /ω ).

Третий тип носителя - последовательность импульсов - предоставляет собой еще большие возможности. Здесь параметрами модуляции могут быть: амплитуда импульсов U, фаза импульсов φ, частота импульсов f, длительность импульсов или пауз τ, число импульсов n и комбинация импульсов и пауз, определяющая код k. В последнем случае имеет место так называемая кодово-импульсная модуляция.

Характеристики сигналов

К основным характеристикам сигналов в информационных системах относятся:

1. Скорость создания информации Н - энтропия источника, отнесенная к единице времени.

2. Скорость передачи информации R - количество информации, передаваемое по каналу связи в единицу времени (например, для речи R=20 бит/с).

3. Избыточность - свойство сигналов, состоящее в том, что каждый элемент сигнала несет информации меньше, чем может нести потенциально, например, символ текста.

При отсутствии помех избыточность вредна, она снижает скорость передачи по каналу связи, увеличивает требуемый объем памяти при запоминании, увеличивает число операций при обработке и пр.).

4. Пропускная способность канала связи С - максимальная скорость передачи информации:

С = mах R.

Для зрения и слуха человека С~5 бит/с.

Спектры сигналов

Спектры случайных сигналов

Случайный сигнал Ux (t) в отличие от детерминированного нельзя охарактеризовать спектральной плотностью S(jω ) его реализации Ux (t), т.к. амплитуды и фазы всех его спектральных составляющих имели бы случайный характер. Однако для стационарных случайных сигналов неизменным во времени остаются моменты распределений. Поэтому в качестве детерминированного частотного аналога используется функция Sxx (ω ), являющаяся преобразованием Фурье от корреляционной величины Bxx (τ ) случайного сигнала Ux (t).

Функция Sxx (ω ) описывает распределение средней мощности по частотам, в связи с чем она носит название энергетического спектра или спектральной плотности мощности случайного сигнала.

Сигнал может быть охарактеризован различными параметрами. Таких параметров, вообще говоря, очень много, но для задач, которые приходится решать на практике, существенно лишь небольшое их число. Например, при выборе прибора для контроля технологического процесса может потребоваться знание дисперсии сигнала; если сигнал используется для управления, существенным является его мощность и так далее. Рассматривают три основных параметра сигнала, существенных для передачи информации по каналу. Первый важный параметр- это время передачи сигнала Tx. Второй характеристикой, которую приходится учитывать, является мощность Px сигнала, передаваемого по каналу с определенным уровнем помех Pz. Чем больше значение Px по сравнению с Pz, тем меньше вероятность ошибочного приема. Таким образом, представляет интерес отношение Px/Pz. Удобно пользоваться логарифмом этого отношения, называемым превышением сигнала над помехой:

Третьим важным параметром является спектр частот Fx. Эти три параметра позволяют представить любой сигнал в трехмерном пространстве с координатами L, T, F в виде параллелепипеда с объемом T x F x L. Это произведение носит название объема сигнала и обозначается через Vx

Модуляция и кодирование

Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного излучения. Обычно, модификации подвергается синусоидальный сигнал именуемый несущей. Несущая, чаще всего, модулируется дискретным сигналом. Все системы в сети взаимодействуют, посылая друг другу дискретные сигналы. Модуляция используется в широкополосных каналах и узкополосных каналах. Основополосные каналы работают без модуляции.

Процесс модуляции и обратный ей процесс-демодуляцию осуществляет абонентская система. Для этого система-передатчик данных относительно медленные изменения значений дискретного сигнала накладывает на несущую и полученный модулированный сигнал передает в канал. Система-адресат осуществляет демодуляцию, разделяя несущую и наложенный на нее сигнал. Последний несет переданные данные, которые обрабатываются в системе-адресате. Модуляция и демодуляция в сетях осуществляется модемами, входящими в состав абонентских систем.

К основным методам модуляции относятся:

1. Амплитудная модуляция, связанная с изменением амплитуды несущей. Здесь высокий потенциал соответствует " единице", а низкий - " нулю". Этот вид модуляции используется редко.

2. Частотная модуляция, состоит в том, что сигналы 0, 1 передаются синусоидами, имеющими различные частоты.

3. Фазовая модуляция, где при изменении от " нуля" к " единице" и от " единицы" к " нулю" фаза синусоидальной несущей изменяется на 180. Применяется в высокоскоростных модемах.

4. Импульсно-кодовая модуляция, в которой аналоговый сигнал кодируется сериями импульсов. Используется в устройствах кодирования-декодирования.

5. Спектральная модуляция, при использовании которой несущая модулируется по частоте в сочетании с третьим, кодовым сигналом. Используется в военной технике и пакетных радиосетях.

В оптическом диапазоне частот используется также метод поляризационной модуляции. Он основан на изменении угла плоскости поляризации света.

Часто из-за использования различных языков, форм представления информации в компонентах систем и сетей, необходимо изменение способа кодирования. Это требует преобразования кода.

При передаче данных используются избыточные коды. Это - коды, которые за счет усложнения их структуры позволяют находить возникающие ошибки. К ним, в первую очередь, относятся коды с обнаружением ошибок. Чаще всего это - циклические избыточные коды. Простая разновидность такого кода - код с контролем по четности. Широко используется для обнаружения ошибок в блоках данных также код Контроля циклической избыточности CRC.

Важное значение имеют коды с исправлением ошибок. Использование этих кодов позволяет с большой вероятностью не только обнаруживать, но и исправлять возникшие при передаче ошибки. Например, код Хемминга позволяет находить и исправлять одиночные ошибки, появляющиеся в блоках данных.

Различают двоичный код и троичный код. Алфавит первого ограничен двумя символами (0, 1), а второго - тремя символами (-1, 0, +1).

В каналах часто используются биполярные коды. Здесь единицы представляются чередующимися положительными и отрицательными импульсами. Отсутствие импульсов определяет состояние " нуль". Биполярное кодирование обеспечивает обнаружение одиночной ошибки. Так, если вместо нуля появится единица, либо единица ошибочно сменится на нуль, то это легко обнаруживается. В обоих случаях нарушается чередование полярности импульсов.

Широкую известность в сетях получило манчестерское кодирование, обеспечивающее не только передачу данных, но и синхронизацию этой передачи. Процесс, обратный кодированию, именуют декодированием. Изменение кодов осуществляется благодаря перекодированию данных.

Лекция 12

9.4. Каналы передачи данных и их характеристики

9.5. Методы повышения помехоустойчивости передачи и приема

9.6. Современные технические средства обмена данных и каналообразующей аппаратуры

Лекция 13

Хранение данных

10.1. Типы и структуры данных

10.2. Организация данных на устройствах с прямым и последовательным доступом

Типы и структуры данных

Базовые типы: целочисленный, вещественный, символьный, логический.

Составные типы: массивы, множества, записи, файлы.

Лекция 14

10.3. Файлы данных

10.4. Файловые структуры

Файлы данных

Файл - поименованная целостная совокупность данных на внешнем носителе.

Для управления файлами и упорядочивания порядка их хранения на носителе используется файловая система. Основное назначение файловой системы — хранение информации о номерах кластеров, в которых записаны данные конкретного файла.

Кластер — логическое объединение нескольких секторов диска, используемое для ускорения процесса считывания и записи данных. Данные одного файла записываются в целое число кластеров.

Файловые структуры

Поддержание файловой системы включает следующие действия:

· создание файлов и присвоение им имен;

· создание каталогов и присвоение имен;

· переименование файлов и каталогов;

· копирование и перемещение файлов между дисками компьютера и между каталогами одного диска;

· удаление файлов и каталогов.

Имя каждого файла состоит из 2-х частей: основного имени и расширения. Расширение имени файла используется для идентификации его содержимого операционной системой.

Для более удобной работы с данными файлы объединяют по определенным признакам в группы: каталог, директорию, папку.

В каталог, кроме файлов, могут также входить другие каталоги (подкаталоги первого уровня), которые, в свою очередь, могут включать в себя как файлы, так и каталоги (подкаталоги 2-го уровня) и т.д. По такому принципу формируется иерархическая структура — дерево каталогов

Физический диск — это реальный физический носитель данных, имеющий имя.

Логический диск — это виртуальный диск на физическом диске или часть физического диска.

Поддержание файловой системы включает следующие действия:

· исправление ошибок в хранимых данных;

· разграничение прав доступа пользователей к файлам и папкам;

· навигация по файловой структуре с целью доступа к заданному файлу, каталогу;

· управление атрибутами файлов и каталогов.

Кроме имени и расширения файла, операционная система посредством файловой системы хранит для каждого файла и каталога дату его создания и набор атрибутов.

Лекция 15

Лекция 16

Системы счисления

11.1. Представление информации в цифровых автоматах (ЦА)

11.2. Позиционные системы счисления

11.3. Методы перевода чисел

11.4. Форматы представления чисел с плавающей запятой

11.5. Двоичная арифметика

Представление информации в цифровых автоматах (ЦА)

Наиболее распространены две системы кодирования EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) и ASCII (American Standard Code for Information Interchange - стандартный код информационного обмена США). Первая исторически тяготеет к «большим» ЭВМ, вторая чаще используется на мини- и микро ЭВМ (в том числе и ПК).

В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования - базовая и расширенная.

Символы национальных языков, в том числе и русского, располагаются в расширенной части системы кодирования (коды с 128 по 255). Отсутствие единого стандарта в этой области привело к множественности одновременно действующих кодировок. Только в России можно указать три действующих стандарта кодировки:

- кодировка Windows-1251, используемая на большинстве локальных компьютеров, работающих на платформе Windows;

- кодировка КОИ-8 (код обмена информацией восьмиричный), имеющая широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в российском секторе Интернет;

- кодировка ISO (International Standard Organization

Система, основанная на 16-ти разрядном кодировании, получила название универсальной - UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов, что достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

При кодировании графических данных общепринятым считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, т.о. для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие

Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как при полутоновом черно-белом изображении, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При такой системе кодирования обеспечивается 16, 5 млн различных цветов и режим называется полноцветным.

При кодировании информации о цвете с помощью восьми бит данных можно передать только 256 цветовых оттенков. Такой метод называется индексным, т.к. код каждой точки растра выражает не цвет сам по себе, а только его номер (индекс) в некоей справочной таблице, называемой палитрой. При этом палитра должна прикладываться к графическим данным.

Методы перевода чисел

Существуют правила перевода чисел из одной системы счисления в другую. Схема перевода числа из системы счисления с основанием P в десятичную

Для перевода целой части числа из десятичной системы счисления в систему с основанием Р число делится на Р и записываются остатки в обратном порядке. При переводе дробной части числа из десятичной системы счисления в систему с основанием Р дробные части умножаются на основание Р и записывается целые части произведения.

Перевод целых чисел из двоичной систему в 8-ричную и 16-ричную и обратно очень прост. Двоичное число разбивается на триады (по 3 знака) или тетрады (по 4 знака), и каждая группа кодируется отдельно.

Двоичная арифметика

Таблица результатов сложения, вычитания и умножения двоичных чисел

Сложение	Вычитание	Умножение
0 + 0 = 0	0 - 0 = 0	0 х 0 = 0
0 + 1 = 1	1 - 0 = 1	0 х 1 = 0
1 + 0 = 1	1 - 1 = 0	1 х 0 = 0
1 + 1 = 10	10 - 1 = 1	1 х 1 = 1

Среди логических функций наибольшее распространение получили инверсия (отрицание, NOT, НЕ), конъюнкция (AND или логическое умножение) и дизъюнкция (OR или логическое сложение) (табл.1.3)

Таблица - Таблица результатов логических операций над двоичными числами

x	y	НЕ x (NOT)	x И y (AND)	x ИЛИ y (OR)

Лекция 17

11.6. Коды: прямой, обратный, дополнительный, модифицированный

11.7. Выполнение арифметических операций с числами с фиксированной и плавающей запятой

11.8. Информационные основы контроля работы цифровых автоматов

11.9. Систематические коды

11.10. Контроль по четности, нечетности, по Хеммингу

Систематические коды

Смещенный код или код с избытком. Выбирается длина разрядной сетки. Кодовая комбинация с 1 в старшем разряде выбирается для представления 0. Все старшие комбинации – 1, 2, 3, …, а младшие – это -1, -2, -3 и т.д.

Код Грея. Соседние кодовый слова различаются в одном разряде.

Лекция 18