Базовые понятия и определения информатики

СОДЕРЖАНИЕ 

Раздел I. БАЗОВЫЕ  ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ  ИНФОРМАТИКИ

Тема 1. Информация данные и  знания.

Общая часть

Понятие «информация» и ее определения

    Информация является общенаучным понятием, включающим в себя обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в растительном и животном мире, передачу признаков от клетки к клетке.

    Виды  информации:

    В зависимости от сферы использования  информация делится на экономическую, техническую, генетическую.

    Информация  может быть выражена в текстовом, числовом или графическом виде.

    По  способу передачи и восприятия различают  визуальную, аудиальную, тактильную, оргоно-лептическую и машинную информацию.

    Информация  может быть представлена в непрерывной или дискретной форме. Она обладает такими свойствами, как полнота, ценность, достоверность, доступность.

Информация  и данные. Информация и информационный процесс

    Данные – это результаты наблюдений над объектами и явлениями, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. Как только данные начинают использовать в каких-либо практических целях, они превращаются в информацию.

    Информационный  процесс – процесс, в результате которого осуществляется прием, передача (обмен), преобразование и использование информации.

    Составляющие  информационного процесса обеспечиваются наличием информационной системы, складывающейся из источника информации и канала связи, по которому она поступает к потребителю.

Особенности знаний как формы  представления информации.

    Переход от данных к знаниям – логическое следствие развития и усложнения информационно-логических структур, обрабатываемых на ЭВМ. Знания  - это информация, на основании которой путем логических рассуждений могут быть получены определенные выводы.

    Для хранения знаний используются базы знаний (совокупность знаний, описанных с  использованием выбранной формы  их представления).

    Представление знаний – это процессы структуризации и формализации знаний. Знания представляются с помощью специальных моделей: фреймовой, продукционной, сетевой или логической.

Информация и данные.

11. Определите компьютерное  представление аудио  - и видео -информации.

    Сегодня подавляющая часть текстовой  и графической информации имеет "цифровое представление", транспортируется по компьютерной сети. Утвердился стандарт DVD (Digital Versatile Disc), универсального носителя цифрового видео-, аудио- и текстовой информации. Внедряется цифровое телевидение (протокол MPEG-II). Быстрое распространение музыки по Интернет (протокол MP-3) грозит разорением производителям традиционных CD. Бесчисленное количество студий ведут аудио и теле вещание через Интернет. Началось массовое использование средств мультимедиа, о которых так много твердили десять лет назад. Все это в полной мере относится и к учебным материалам . Обучающие программы (модули), компьютерные лаборатории, динамические видеоряды, аудио-программы становятся стандартной составляющей "электронных изданий", которые можно найти сегодня в Интернет.

Знания  как форма представления  информации.

1. Что происходит  при извлечении  знаний?

    Знания - это выявленные закономерности предметной области (принципы, связи, законы), позволяющие решать задачи в этой области. При обработке на ЭВМ знания трансформируются аналогично данным:

    знания  в памяти человека как результат мышления;

    материальные  носители знаний (учебники, методические пособия);

    поле  знаний - условное описание основных объектов предметной области, их атрибутов и закономерностей, их связывающих;

    знания, описанные на языках представления  знаний (продукционные языки, семантические сети, фреймы - см. далее);

    базы  знаний.

    Часто используются такие определения  знаний:

    знания - это хорошо структурированные данные, или данные о данных, или метаданные.

    Существует  множество способов определять понятия. Один из широко применяемых способов, основан на идее интенсионала. Интенсионал понятия - это определение через понятие более высокого уровня абстракции с указанием специфических свойств. Этот способ определяет знания. Другой способ определяет понятие через перечисление понятий более низкого уровня иерархии или фактов, относящихся к определяемому. Это есть определение через данные, или экстенсионал понятия.

    Пример. Понятие "персональный компьютер". Его интенсионал: ⌠Персональный компьютер - это дружественная ЭВМ, которую можно поставить на стол и купить менее чем за $2000 - 3000".

    Экстенсионал  этого понятия: "Персональный компьютер - это Mac, IBM PC, Sinkler...".

    Для хранения данных используются базы данных (для них характерны большой объем  и относительно небольшая удельная стоимость информации), для хранения знаний - базы знаний (небольшого объема, но исключительно дорогие информационные массивы). База знаний - основа любой интеллектуальной системы.

    Знания  могут быть классифицированы по следующим  категориям:

• поверхностные - знания о видимых взаимосвязях между отдельными событиями и фактами в предметной области;
• глубинные - абстракции, аналогии, схемы, отображающие структуру и процессы в предметной области.

    Современные экспертные системы работают в основном споверхностными знаниями. Это связано с тем, что на данный момент нет адекватных моделей, позволяющих работать с глубинными знаниями.

    Кроме того, знания можно разделить на процедурные и декларативные. Исторически первичными были процедурные знания, т.е. знания, "растворенные" в алгоритмах. Они управляли данными. Для их изменения требовалось изменять программы. Однако с развитием искусственного интеллекта приоритет данных постепенно изменялся, и все большая часть знаний сосредоточивалась в структурах данных (таблицы, списки, абстрактные типы данных), т.е. увеличивалась роль декларативных знаний.

    Сегодня знания приобрели чисто декларативную  форму, т.е. знаниями считаются предложения, записанные на языках представления  знаний, приближенных к естественному  и понятных неспециалистам.

    Существуют  десятки моделей (или языков) представления  знаний для различных предметных областей. Большинство из них может  быть сведено к следующим классам:

• продукционные;
• семантические сети;
• фреймы;
• формальные логические модели.

Тема 2. Постановка и решение задач на компьютере

Общая часть.

Понятие «задача».

    Под задачей в самом общем смысле этого слова понимается некоторая  проблема, которую надо решить. Задача становится разрешимой, если найдено  правило, способ получения результата. В информатике такое правило называют алгоритмом.

Классификация задач, решаемых на ЭВМ.

    Существуют  различные подходы к классификации  задач, решаемых при помощи компьютера. Подразделяют задачи:

• по типу информации и информационным технологиям;
• по способу поиска решения (простые и переборные);
• по характеру целей (задачи оптимизации, управления, обучения, информационного поиска);
• по функциональному назначению;
• по уровню достижения целей и уровню и уровню их решения;
• по уровню автоматизации.

Этапы решения задачи на компьютере.

    Решение задачи на ЭВМ складывается из нескольких этапов:

1. постановка задачи;
2. построение математической модели;
3. разработка алгоритма;
4. составление программы;
5. отладка и тестирование программы;
6. анализ полученных результатов;
7. составление сопроводительной документации.

Категории специалистов, охваченных процессом решения  задачи.

    Постановщик задачи, эксперт (специалист в предметной области задачи), инженер знаний, программист, программист (разработчик  программы на ЭВМ).

Модель  и моделирование.

13. Где используются алгебра логики и логические операции?

    Алгебра логики — это раздел математики, изучающий высказывания, рассматриваемые  со стороны их логических значений (истинности или ложности) и логических операций над ними.

    Математический  аппарат алгебры логики очень удобен для описания того, как функционируют аппаратные средства компьютера, поскольку основной системой счисления в компьютере является двоичная, в которой используются цифры 1 и 0, а значений логических переменных тоже два: “1” и “0”.

    Из  этого следует два вывода:

• одни и те же устройства компьютера могут применяться для обработки и хранения как числовой информации, представленной в двоичной системе счисления, так и логических переменных;
• на этапе конструирования аппаратных средств алгебра логики позволяет значительно упростить логические функции, описывающие функционирование схем компьютера, и, следовательно, уменьшить число элементарных логических элементов, из десятков тысяч которых состоят основные узлы компьютера.

Алгоритм  и алгоритмизация задачи.

12. Назовите средства  языка для реализации  нелинейных алгоритмов.

    Алгоритм, при котором программа выполняется  с первой строки до последней по порядку называется линейным. Линейный алгоритм, показанный ранее - простейший случай. Наиболее часто встречающийся случай - нелинейный алгоритм. В Паскале существует оператор(команда, но не процедура) goto, который передает управление другой части программы. Для того чтобы обозначить место, в которое нужно передать управление используется метка, которой можно пометить некоторую часть программы.

    Сначала ее нужно объявить, делается это  также как и при объявлении переменной, но пишется не var, а label например

    uses crt;

    label metka;

    var  

     x:integer;

    begin  

     x:=10;  

    goto metka;  

     x:=100;  

     metka:  

     writeln('x=',x);

    end.

    Строка  перед writeln помечена меткой, она названа metka. Сначала х приравняется к  десяти, потом произойдет переход  сразу к writeln, программа выведет  сообщение о том, что x=10, если - бы строчки выполнялись по порядку, то х бы равнялся 100. В том случае если строчки выполняются не по порядку алгоритм называется нелинейным.

Средства  реализации задач  на компьютере.

3. Из каких основных  узлов состоит  ЭВМ?

    Персональные  ЭВМ или персональные компьютеры являются основной технической базой  информационных технологий. Возможности персональных компьютеров (ПК) определяются характеристиками его функциональных блоков.

    Основные  функциональные элементы ПК размещены  в устройствах различных компьютеров по-разному, но обязательно входят в состав любого из них.

    Характерной чертой всех ПЭВМ является модульность структуры.

    Все электронное оборудование расчленено на модули (так называемые электронные платы), связанные между собой системной шиной.

    Каждый  модуль соединен с системной шиной  так, что любой модуль может передавать информацию в системную шину и любой модуль может её принимать.

    Модуль, в котором помещен микропроцессор (МП), называется системной платой (модулем) или материнской платой.

    Схемы, управляющие внешними устройствами компьютера (контроллеры и адаптеры), находятся на отдельных платах, вставляемых в материнскую плату.

    На  системной плате расположено  несколько гнездовых разъемов (так  называемые слоты) для подключения дополнительных плат. Добавляя платы подходящих типов, можно получать требуемую конфигурацию компьютера. Так, например, с помощью дополнительных плат можно увеличить емкость оперативной памяти.

    С 1980 г. на рынке появились ПК IBM PC, самой важной особенностью которых стала так называемая открытая архитектура. Эта архитектура, во-первых, использует принцип взаимозаменяемости, т.е. использования для сборки ПК узлов от разных производителей (но соответствующих определенным соглашениям), а во-вторых, предоставляет возможность доукомплектования ПК, наращивания его мощности уже в ходе эксплуатации ПК.

    Системный блок

    Центральная часть ПК, содержащая в себе практически  все основные устройства, - системный  блок.

    Материнская плата

    Материнская (системная) плата - самая важная плата  в компьютере. Именно к ней подключаются все другие устройства, входящие в состав системного блока ПК.

    Микропроцессор

    Микропроцессор  – это основа ПК, его центральный  блок, предназначенный для управления работой всех блоков компьютера и для выполнения арифметических и логических операций над информацией.

    Микропроцессор - программно-управляемое (т.е. функционирует путем выполнения некоторой программы) электронное цифровое устройство, предназначенное для обработки информации, представленной в цифровом виде и построенное на одной или нескольких БИС (большая интегральная схема), в которых сосредоточена сложнейшая логическая схема.

    АЛУ – арифметико-логическое устройство, в котором выполняются арифметические и логические операции над данными, хранящимися в регистрах арифметического устройства. Основу АЛУ составляет операционный блок, который может настраиваться на различные операции и непосредственно осуществлять их. Настройка операционного блока на конкретную операцию и последовательность шагов её выполнения обеспечиваются с помощью управляющих сигналов от УУ.

    УУ  – устройство управления, которое подает во все блоки в нужный момент времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемых операций, определяет последовательность операций над данными (определяет какую операцию выполнить над какими данными, куда поместить результат, что делать на следующем шаге).

    Регистры - это электронное цифровое устройство для временного запоминания информации в форме двоичного числа или кода. Операции над числами в регистре реализуются с помощью управляющих сигналов от УУ.

    Математический сопроцессор. Арифметика с плавающей запятой, как правило, более медленная. В некоторых моделях ПК для ускорения выполнения этих операций к АЛУ подключается дополнительный математический сопроцессор – специальный блок для операций с плавающей запятой- в результате чего замедление работы программы становится не очень заметным. Применяется для особо точных и сложных расчетов, а также для работы с рядом графических программ.

    Контроллеры и адаптеры

    Все блоки ПК соединяются между собой  шиной. Шина - это электрическое соединение или группа  параллельных соединений, которые обеспечивают обмен информацией между компонентами компьютера.

    В состав системного блока входят функциональные блоки, предназначенные для управления работой системных периферийных устройств. Эти модули называются контроллерами. Так в состав системного блока входят контроллеры ВЗУ на МД - контроллеры дисков, контроллер клавиатуры, контроллеры манипуляторов и т.д.

    Управление  дополнительными периферийными  устройствами осуществляют другие функциональные модули, которые называются адаптерами, т.к. большинство этих периферийных устройств служат для преобразования, т.е. адаптации, сигналов внешнего интерфейса к системной шине.

    Например, адаптеры используются для связи  ПЭВМ между собой - сетевые адаптеры (т.е. для сопряжения ПК с физическим каналом передачи данных).

    Видеоадаптер - устройство, преобразующее набор данных, подлежащих изображению на экране, в видеосигнал, посылаемый монитору по кабелю.

    Оперативная память

    Память  ЭВМ делится на внутреннюю и внешнюю. Внутренняя память включает в себя ОЗУ, кэш-память, ПЗУ.

    ОЗУ (RAM – Random Access Memory – память с произвольным доступом) - оперативное запоминающее устройство, которое позволяет с большой скоростью записывать и считывать информацию, подготовленную для МП.

    Кэш память

    Кэш память (так называемая сверхоперативная память) предназначена для согласования скорости работы медленных устройств с более быстрыми. Для «быстрых» компьютеров необходимо обеспечить быстрый доступ к оперативной памяти, иначе МП будет простаивать, т.е. быстродействие ПК уменьшится. Для этого в качестве буфера между ОП и МП используется кэш-память. Т.е. МП непосредственно обменивается информацией с кэш-памятью, а она уже осуществляет обмен с ОЗУ. Наличие кэш-памяти может увеличить производительность компьютера на 20%. Аналогично кэш-память используется при обмене данными между оперативной памятью и внешним накопителем.

    Постоянное  запоминающее устройство (ПЗУ)

    ПЗУ (ROM – Read-Only Memory – память только для чтения) - постоянное запоминающее устройство также строится на основе установленных на материнской плате модулей. ПЗУ используется для хранения и чтения неизменной информации, некоторых часто встречающихся величин, стандартных программ и т.п.

    Системная шина

    Системная шина - это основная интерфейсная система  компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

    Порты

    Связь компьютера с различными внешними устройствами осуществляется через порты –  специальные разъемы, расположенные на тыльной стороне системного блока.

    Порты бывают последовательные и параллельные.

    Параллельные  порты используются для подсоединения внешних устройств, которым необходимо передавать большой объем информации на близкое расстояние. Через параллельный порт к системному блоку подключается принтер, сканер. Параллельные порты имеют имена LPT1, LPT2, LPT3 (Line PrinTer – линия принтера).

    Последовательные  порты используются для подключения к системному блоку манипуляторов, модемов.

    Внешняя память

    Внешняя память предназначена для долговременного хранения программ, данных, для хранения большого объема информации, хотя скорость обращения к этой информации ниже, чем к информации оперативной памяти.

    Накопители  на жестких магнитных  дисках (НЖМД, винчестеры) - это устройство, как правило, с несъемным носителем. В этих накопителях информация записывается на нескольких жестких дисках с ферромагнитным слоем, при этом работает соответственно группа магнитных головок, собранных в единый блок. Этот пакет дисков непрерывно вращается с большой скоростью, пока компьютер включен. Вся электромеханическая часть заключена в герметичный корпус, такая конструкция позволяет достичь высокой плотности записи и большой скорости считывания/записи информации. Емкость НЖМД достигает десятков гигабайт (40, 60, 80, 120 Гб).

    Накопители  на оптических дисках - НОД. Принцип всех существующих ныне оптических дисководов основан на использовании луча лазера для записи и чтения информации в цифровом виде.

    По  функциональному признаку НОД делятся  на три категории:

    НОД только для чтения (без возможности записи). В связи с ростом объемов и сложности программного обеспечения, широким внедрением мультимедиа-приложений получили широкое распространение устройства для чтения оптических дисков - CD-ROM. Чтение информации с таких дисков осуществляется  с помощью луча лазера небольшой мощности. При этом обеспечивается высокая надежность хранения информации при многократном считывании. Объем информации на таком диске - 650 Мб и более.

    НОД с однократной  записью и многократным чтением (CD-R). На оптический диск в таких дисководах пользователь может один раз записать информацию, но ни стереть, ни перезаписать не удастся. Такие оптические диски удобны для архивирования и там, где важно хранить единожды записанную информацию в неизменном виде.

    Перезаписывающие  НОД (CD-RW) - дисководы с возможностью многократной записи информации. Такие диски могут не читаться на некоторых устаревших приводах CD-ROM.

    Магнитооптические диски. Информация на магнитооптических дисках хранится на магнитном носителе, защищенном прозрачной пленкой, а чтение и запись осуществляются с помощью луча лазера. Внешне такие диски похожи на  НГМД, но емкость таких дисков ( да и стоимость тоже) значительно больше – от 128 Мб до нескольких Гигабайт.

    Устройства  ZIP. ZIP – устройство для записи и считывания информации с магнитных дисков повышенной емкости – до 250 Мб. Подключается такое устройство в порт, параллельный принтеру.

    Накопители DVD. Накопитель DVD (Digital Versatile Disc) – цифровой универсальный диск, предназначенный для хранения компьютерной информации большого объема и видео, аудио информации высокого качества (такие носители выводят на новый уровень воспроизведение видео- и аудиоинформации на ПК).

    Стримеры. Информация, хранящаяся на НЖМД, из-за физической порчи диска, действия компьютерных вирусов, случайного или преднамеренного уничтожения файлов может быть испорчена или даже уничтожена. Поэтому следует иметь архивные копии и систематически обновлять копии рабочих файлов. Для этого используют стримеры – наиболее дешевые устройства для записи информации на кассеты с магнитными лентами. Емкость используемых кассет до нескольких десятков Гбайт. Стримеры, как правило, имеют собственные средства сжатия данных.

    Устройства  ввода информации в компьютер

    Клавиатура – устройство для ввода в компьютер текстовой и цифровой, а также некоторой управляющей информации. Клавиатура бывает:

    обычная;

    эргономичная (как бы “разломанная” на двое);

    на  инфракрасных лучах, без подключения  к системному блоку, управление такой  клавиатурой – дистанционное;

    Манипуляторы –устройства управления курсором (координатно-указательные устройства):

    Мышь (кроме обычных выпускаются “оптические мыши” – более сложное и дорогое, требующее специального планшета, но более надежное и долговечное, и “беспроводные мыши”, питание которых осуществляется от батареек, а радиус действия – несколько метров);

    Джойстик – рячаг, установленный на соответствующем корпусе, обеспечивает перемещение курсора на экране;

    Трекбол – манипулятор в форме шара. Для управления курсором нужно вращать этот шар, т.е. не требуется поверхность для передвижения по ней устройства (как для мыши), поэтому такой манипулятор используется в портативных ПК;

    Трекпойнт – маленький джойстик, который размещается обычно в центре клавиатуры и управляется нажатием пальца;