Информатика как единство науки и технологии. 2

ФГБОУ «Уральский государственный  педагогический университет»

Институт музыкального и  художественного образования

Кафедра художественного  образования

Реферат на тему : «Информатика как единство науки и технологии»

Исполнитель: Искорцев А. Д.

группа 11 БД-zs

г. Екатеринбург

2012 г.

Содержание.

I глава. Структура современной информатики. . . . . . 3

1.1Основные направления  информатики. . . . . . . 3

1.2 Информация. Её виды  и свойства. . . . . . . 5

1.3 Информационные процессы. . . . . . . .       10

II глава. Архитектура компьютера. . . . . . . .       11

2.1Принцыпы построения. . . . . . . . .       11

2.1.1 Магистрально-модульный принцип. . . . . .       15

2.1.2 Принцип открытой архитектуры. . . . . . .       17

2.1.3 Принцип Джона Фон Неймана. . . . . . .       18

2.2 Внутренние устройства  компьютера. . . . . . .       20

2.3.Перифирийные устройства  ( ввода, вывода). . . . .       21

III глава. Программное обеспечение компьютера. . . . .       23

3.1 Классификация программного  обеспечения. . . . .       23

3.2 Операционная система. . . . . . . . .       27

IV глава. Вычислительные  сети. . . . . . . .       28

4.1 Локальные вычислительные  сети. . . . . . .       28

4.2 Глобальная сеть интернет. . . . . . . .       29

Литература. . . . . . . . . . .       32

I глава. Структура  современной информатики.

1.1Основные направления  информатики.

Оставляя в стороне  прикладные информационные технологии, опишем составные части «ядра» современной  информатики. Каждая из этих частей может  рассматриваться как относи-тельно самостоятельная научная дисциплина; взаимоотношения между ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и математическим анализом в классической математике – все они хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, части одной науки.

Теоретическая информатика  – часть информатики, включающая ряд математических разделов. Она  опирается на математическую логику и включает такие разделы, как  теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и другие. Этот раздел информатики  использует математические методы для  общего изучения процессов обработки  информации.

Вычислительная техника  – раздел, в котором разрабатываются  общие принципы по-строения вычислительных систем. Речь идет не о технических деталях и электронных схемах (это лежит за пределами информатики как таковой), а о принципиальных решениях на уровне так называемой архитектуры вычислительных (компьютерных) систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классическими решений в этой области – неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной (многопроцессорной) обработки информации.

Программирование – деятельность, связанная с разработкой систем программного обес-печения. Здесь отметим лишь основные разделы современного программирования: создание системного программного обеспечения и создание прикладного программного обеспечения. Среди системного – разработка новых языков программирования и компиляторов к ним, разработка интерфейсных систем (пример – общеизвестная операционная оболочка и система Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные – системы обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных. В каждой области предметных приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ более узкого назначения.

Информационные системы  – раздел информатики, связанный  с решением вопросов по анализу потоков  информации в различных сложных  системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации. Информационно-справочные системы, информационно-поисковые  системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации (включая широко известный Internet) привлекают внимание все большего круга пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться. Известным примером решения проблемы на глобальном уровне может служить гипертекстовая поисковая система WWW, а на значительно более низком уровне – справочная система, к услугам которой мы прибегаем, набрав телефонный номер 09.

Искусственный интеллект  – область информатики, в которой  решаются сложнейшие проблемы, находящиеся  на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Как научить компьютер мыслить  подобно человеку? Поскольку мы далеко не все знаем о том, как мыслит человек, исследования по искусственному интеллекту, несмотря на полу-вековую историю, все еще не привели к решению ряда принципиальных проблем. Основные направления разработок, относящихся к этой области, – моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознавание образов и другие. От успехов работ в области искусственного интеллекта зависит, в частности, решение такой важнейшей прикладной проблемы, как создание интеллектуальных интерфейсных систем взаимодействия человека с компьютером, благодаря которым это взаимодействие будет походить на межчеловеческое и станет более эффективным.

1.2 Информация. Её виды  и свойства.

Информация (от лат. informatio — осведомление, разъяснение, изложение) — в широком смысле абстрактное понятие, имеющее множество значений, в зависимости от контекста. В узком смысле этого слова — сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления. В настоящее время не существует единого определения термина информация. С точки зрения различных областей знания, данное понятие описывается своим специфическим набором признаков. Информация — совокупность данных, зафиксированных на материальном носителе, сохранённых и распространённых во времени и пространстве.

В информатике наиболее часто  используется следующее определение  этого термина: Информация — это  осознанные сведения об окружающем мире, которые являются объектом хранения, преобразования, передачи и использования. Сведения — это знания, выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т. д. Каждого человека в мире окружает море информации различных  видов.

Информация содержится везде. Дерево содержит собственную генетическую информацию, и только благодаря этой информации от семечка берёзы вырастает  только берёза. Для деревьев источником информации является воздух, именно по уровню состояния воздуха дерево может определить время распускания почек. Перелетные птицы знают свой маршрут перелёта, и каждая стая идёт только своим заданным в генах маршрутом.

Стремление зафиксировать, сохранить надолго свое восприятие информации было всегда свойственно  человеку. Мозг человека хранит множество  информации, и использует для хранения ее свои способы, основа которых —  двоичный код, как и у компьютеров. Человек всегда стремился иметь  возможность поделиться своей информацией  с другими людьми и найти надежные средства для ее передачи и долговременного  хранения. Для этого в настоящее  время изобретено множество способов хранения информации на внешних (относительно мозга человека) носителях и ее передачи на огромные расстояния.

Основные виды информации по ее форме представления, способам ее кодирования и хранения, что  имеет наибольшее значение для информатики, это:

графическая или изобразительная  — первый вид, для которого был  реализован способ хранения информации об окружающем мире в виде наскальных рисунков, а позднее в виде картин, фотографий, схем, чертежей на бумаге, холсте, мраморе и др. материалах, изображающих картины реального  мира;

звуковая — мир вокруг нас полон звуков и задача их хранения и тиражирования была решена с  изобретением звукозаписывающих устройств  в 1877 г. (см., например, историю звукозаписи  на сайте — http://radiomuseum.ur.ru/index9.html); ее разновидностью является музыкальная  информация — для этого вида был  изобретен способ кодирования с  использованием специальных символов, что делает возможным хранение ее аналогично графической информации;

текстовая — способ кодирования речи человека специальными символами — буквами, причем разные народы имеют разные языки и используют различные наборы букв для отображения речи; особенно большое значение этот способ приобрел после изобретения бумаги и книгопечатания;

числовая — количественная мера объектов и их свойств в окружающем мире; особенно большое значение приобрела  с развитием торговли, экономики  и денежного обмена; аналогично текстовой  информации для ее отображения используется метод кодирования специальными символами — цифрами, причем системы  кодирования (счисления) могут быть разными;

видеоинформация — способ сохранения «живых» картин окружающего  мира, появившийся с изобретением кино.

Существуют также виды информации, для которых до сих  пор не изобретено способов их кодирования  и хранения — это тактильная информация, передаваемая ощущениями, органолептическая, передаваемая запахами и вкусами  и др.

Для передачи информации на большие расстояния первоначально  использовались кодированные световые сигналы, с изобретением электричества  — передача закодированного определенным образом сигнала по проводам, позднее  — с использованием радиоволн.

Как и всякий объект, информация обладает свойствами. Характерной отличительной  особенностью информации от других объектов природы и общества, является дуализм: на свойства информации влияют как  свойства исходных данных, составляющих ее содержательную часть, так и свойства методов, фиксирующих эту информацию.

С точки зрения информатики  наиболее важными представляются следующие  общие качественные свойства: объективность, достоверность, полнота, точность, актуальность, полезность, ценность, своевременность, понятность, доступность, краткость и пр.

Объективность информации. Объективный – существующий вне и независимо от человеческого сознания. Информация – это отражение внешнего объективного мира. Информация объективна, если она не зависит от методов ее фиксации, чьего-либо мнения, суждения.

Пример. Сообщение «На  улице тепло» несет субъективную информацию, а сообщение «На улице 22°С» – объективную, но с точностью, зависящей от погрешности средства измерения.

Объективную информацию можно  получить с помощью исправных  датчиков, измерительных приборов. Отражаясь в сознании человека, информация может искажаться (в большей или  меньшей степени) в зависимости  от мнения, суждения, опыта, знаний конкретного  субъекта, и, таким образом, перестать  быть объективной.

Достоверность информации. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Объективная  информация всегда достоверна, но достоверная  информация может быть как объективной, так и субъективной. Достоверная  информация помогает принять нам  правильное решение. Недостоверной  информация может быть по следующим  причинам:

преднамеренное искажение (дезинформация) или непреднамеренное искажение субъективного свойства;

искажение в результате воздействия  помех («испорченный телефон») и недостаточно точных средств ее фиксации.

Полнота информации. Информацию можно назвать полной, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Неполная информация может привести к ошибочному выводу или решению.

Точность информации определяется степенью ее близости к реальному  состоянию объекта, процесса, явления  и т. п.

Актуальность информации – важность для настоящего времени, злободневность, насущность. Только вовремя  полученная информация может быть полезна.

Полезность (ценность) информации. Полезность может быть оценена применительно  к нуждам конкретных ее потребителей и оценивается по тем задачам, которые можно решить с ее помощью.

Самая ценная информация –  полезная. При этом следует учитывать, что и необъективная, недостоверная  информация (например, художественная литература), имеет большую значимость для человека. Социальная (общественная) информация обладает еще и дополнительными  свойствами:

Имеет семантический (смысловой) характер, т. е. понятийный, так как именно в понятиях обобщаются наиболее существенные признаки предметов, процессов и явлений окружающего мира.

Имеет языковую природу (кроме некоторых видов эстетической информации, например изобразительного искусства). Одно и то же содержание может быть выражено на разных естественных (разговорных) языках, записано в виде математических формул и т. д.

С течением времени количество информации растет, информация накапливается, происходит ее систематизация, оценка и обобщение. Это свойство назвали  ростом и кумулированием информации. (Кумуляция – от лат. cumulatio – увеличение, скопление).

Старение информации заключается  в уменьшении ее ценности с течением времени. Старит информацию не само время, а появление новой информации, которая уточняет, дополняет или  отвергает полностью или частично более раннюю. Научно-техническая информация стареет быстрее, эстетическая (произведения искусства) – медленнее.

Логичность, компактность, удобная  форма представления облегчает  понимание и усвоение информации.

1.3 Информационные процессы.

Среди всех информационных процессов можно выделить наиболее общие.

К ним относятся:

-  получение,

-  передача,

-  хранение 

-  обработка информации.

Эти процессы являются базовыми.

Их выполнение порождает  другие информационные процессы.

Так, например,

-  получение информации  может быть связано с её  поиском, хранение — с накоплением;

-  при передаче информации  необходимо позаботиться о её  защите от разрущающих воздействий.

 Все процессы требуют  той или иной формы представления  информации, определяет которую  процесс — кодирование. Он  сопровождает все остальные процессы  и является связующим звеном  между ними.

II глава. Архитектура  компьютера.

2.1Принцыпы построения.

Архитектура компьютера - это  описание его организации и принципов  функционирования его структурных  элементов. Включает основные устройства ЭВМ и структуру связей между  ними.

Обычно, описывая архитектуру  ЭВМ, особое внимание уделяют тем  принципам ее организации, которые  характерны для большинства машин, относящихся к описываемому семейству, а также оказывающие влияние  на возможности программирования.

Поскольку от архитектуры  компьютера зависят возможности  программирования на нем, поэтому при  описании архитектуры ЭВМ уделяют  внимание описанию команд и памяти.

1642-1945 - Механические компьютеры (нулевое поколение)

В 1642 году Блезом Паскалем, французским ученым, в честь которого назван один из языков программирования, была сконструирована счетная машина, которая могла выполнять только операции сложения и вычитания. Она представляла собой механическую конструкцию с шестеренками и ручным приводом.

Через тридцать лет, немецкий математик Готфрид Вильгельм  Лейбниц построил другую механическую машину, которая помимо сложения и  вычитания могла выполнять операции умножения и деления. В сущности, Лейбниц три века назад создал подобие карманного калькулятора с  четырьмя функциями.

В 1822 году Чарльз Бэббидж, профессор  математики Кембриджского Университета, разработал и сконструировал аналитическую  машину, которая, как и машина Паскаля, могла лишь складывать и вычитать, подсчитывала таблицы чисел для морской навигации. В машину был заложен только один алгоритм — метод конечных разностей с использованием полиномов. У этой машины был довольно интересный способ вывода информации: результаты выдавливались стальным штампом на медной дощечке, что предвосхитило более поздние средства ввода-вывода — перфокарты и компакт-диски.

1945-1955 - Электронные лампы  (первое поколение)

Шифровальный прибор Enigma.

В начале второй мировой  войны немецкие подводные лодки  разрушали британские корабли. Немецкие адмиралы посылали на подводные лодки  по радио команды, и хотя англичане  могли перехватывать эти команды, проблема была в том, что радиограммы  были закодированы с помощью прибора  под названием ENIGMA, предшественник которого был спроектирован изобретателем-дилетантом и бывшим президентом США Томасом  Джефферсоном. Англичанам удалось приобрести ENIGMA у поляков, которые, в свою очередь, украли её у немцев. Однако, чтобы расшифровать закодированное послание, требовалось огромное количество вычислений, и их нужно было произвести сразу после перехвата радиограммы. Поэтому британское правительство основало секретную лабораторию для создания электронного компьютера под названием COLOSSUS.

В 1943 году начал работать электронный компьютер COLOSSUS, в создании которой принимал участие знаменитый британский математик Алан Тьюринг. Но, поскольку британское правительство полностью контролировало этот проект и рассматривало его как военную тайну на протяжении 30 лет, COLOSSUS не стал базой для дальнейшего развития компьютеров. Мы упомянули о нём только потому, что это был первый в мире электронный цифровой компьютер.

В этом же году Моушли со своим студентом Дж. Преспером Экертом начали конструировать ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer — электронный цифровой интегратор и калькулятор) - электронный компьютер, который состоял из 18 000 электровакуумных ламп и 1500 реле, весил 30 тонн и потреблял 140 киловатт электроэнергии. У машины имелось 20 регистров, причем каждый из них мог содержать 10-разрядное десятичное число.

1955-1965 - Транзисторы (второе  поколение)

В 1956 году сотрудниками лаборатории  Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли был изобретен транзистор, за что они получили Нобелевскую премию в области физики. Транзисторы совершили революцию в производстве компьютеров, и к концу 1950-х годов компьютеры на вакуумных лампах уже безнадежно устарели. В лаборатории МТИ был построен первый компьютер на транзисторах. Он содержал слова из 16 бит, как и Whirlwind I.

1965-1980 - Интегральные схемы  (третье поколение)

В 1958 году Роберт Нойс создал кремниевую интегральную схему, что дало возможность размещения на одной небольшой микросхеме несколько десятков транзисторов. Компьютеры на интегральных схемах были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле, чем их предшественники на транзисторах.

К 1964 году компания IBM лидировала на компьютерном рынке, но существовала одна большая проблема: компьютеры 7094 и 1401, которые она выпускала, были несовместимы друг с другом. 7094-й  предназначался для сложных расчетов, в нём использовалась двоичная арифметика на регистрах по 36 бит, на 1401 применялась  десятичная система счисления и  слова разной длины. Многим покупателям они не нравились ввиду их несовместимости.

1980-? - Сверхбольшие интегральные  схемы (четвертое поколение)

В 1980-х годах появление  сверхбольших интегральных схем позволило  помещать на одну плату сначала десятки  тысяч, затем сотни тысяч и, наконец, миллионы транзисторов. Это привело  к созданию компьютеров меньшего размера и более быстродействующих. К этому времени цены упали  так сильно, что возможность приобретать  компьютеры появилась не только у  организаций, но и у отдельных  людей. Началась эра персональных компьютеров.

Персональные компьютеры применялись для обработки слов, электронных таблиц, а также для  выполнения приложений с высоким  уровнем интерактивности (например, игр), с которыми большие компьютеры не справлялись.

Первые персональные компьютеры продавались в виде комплектов, которые  содержали:

печатную плату,

набор интегральных схем,

обычно включающий схему Intel 8080,

несколько кабелей,

источник питания,

8-дюймовый дисковод.

Сложить из этих частей компьютер  покупатель должен был сам и написать программное обеспечение к нему. Позднее для Intel 8080 появилась операционная система СР/М, написанная Гари Килдаллом.

Невидимые компьютеры (пятое  поколение)

Apple Newton.

В 1981 году правительство  Японии объявило о намерениях выделить национальным компаниям 500 миллионов  долларов на разработку компьютеров  пятого поколения на основе технологий искусственного интеллекта, которые  должны были потеснить «тугие на голову»  машины четвёртого поколения. Однако, несмотря на большой шум, японский проект разработки компьютеров пятого поколения  в конечном итоге показал свою несостоятельность и был аккуратно  «задвинут в дальний ящик». В  каком-то смысле эта ситуация оказалась  близка той, с которой столкнулся Беббидж: идея настолько опередила  свое время, что для её реализации не нашлось адекватной технологической  базы. То, что можно назвать пятым  поколением компьютеров, все же материализовалось, но в весьма неожиданном виде —  компьютеры начали стремительно уменьшаться. Модель Apple Newton, появившаяся в 1993 году, наглядно доказала, что компьютер можно уместить в корпусе размером с кассетный плеер.

Реализованный в Newton рукописный ввод, казалось бы, усложнил дело, но впоследствии пользовательский интерфейс подобных машин, которые теперь называются персональными электронными секретарями (Personal Digital Assistants, PDA), или просто карманными компьютерами, был усовершенствован и приобрел широкую популярность. Многие карманные компьютеры сегодня не менее мощны, чем обычные ПК двух-трехлетней давности.

2.1.1 Магистрально-модульный принцип.

Магистраль (системная шина) включает в себя три многоразрядные шины: шину данных, шину адреса и шину управления, которые представляют собой  многопроводные линии (рис. 4.1). К магистрали подключаются процессор и оперативная память, а также периферийные устройства ввода, вывода и хранения информации, которые обмениваются информацией на машинном языке (последовательностями нулей и единиц в форме электрических импульсов).

Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Например, считанные  из оперативной памяти данные могут  быть переданы процессору для обработки, а затем полученные данные могут  быть отправлены обратно в оперативную  память для хранения. Таким образом, данные по шине данных могут передаваться от устройства к устройству в любом  направлении.

Разрядность шины данных определяется разрядностью процессора, то есть количеством  двоичных разрядов, которые могут  обрабатываться или передаваться процессором  одновременно. Разрядность процессоров  постоянно увеличивается по мере развития компьютерной техники.

Шина адреса. Выбор устройства или ячейки памяти, куда пересылаются или откуда считываются данные по шине данных, производит процессор. Каждое устройство или ячейка оперативной  памяти имеет свой адрес. Адрес передается по адресной шине, причем сигналы по ней передаются в одном направлении - от процессора к оперативной памяти и устройствам (однонаправленная шина).

Разрядность шины адреса определяет объем адресуемой памяти (адресное пространство), то есть количество однобайтовых ячеек оперативной памяти, которые  могут иметь уникальные адреса. Количество адресуемых ячеек памяти можно рассчитать по формуле:

N = 2I , где I - разрядность  шины адреса.

Разрядность шины адреса постоянно  увеличивалась и в современных  персональных компьютерах составляет 36 бит. Таким образом, максимально  возможное количество адресуемых ячеек  памяти равно:

N = 236 = 68 719 476 736.

Шина управления. По шине управления передаются сигналы, определяющие характер обмена информацией по магистрали. Сигналы управления показывают, какую операцию - считывание или запись информации из памяти - нужно производить, синхронизируют обмен информацией между устройствами и так далее.

2.1.2 Принцип открытой архитектуры.

Открытая архитектура  — архитектура компьютера, периферийного  устройства или же программного обеспечения, на которую опубликованы спецификации, что позволяет другим производителям разрабатывать дополнительные устройства к системам с такой архитектурой.

Персональным компьютером (ПК) называют сравнительно недорогой  универсальный микрокомпьютер, рассчитанный на одного пользователя. Персональные компьютеры обычно проектируются на основе принципа открытой архитектуры. Принцип открытой архитектуры заключается  в следующем: Регламентируются и  стандартизируются только описание принципа действия компьютера и его  конфигурация (определенная совокупность аппаратных средств и соединений между ними). Таким образом, компьютер  можно собирать из отдельных узлов  и деталей, разработанных и изготовленных  независимыми фирмами-изготовителями. Компьютер легко расширяется  и модернизируется за счёт наличия  внутренних расширительных гнёзд, в  которые пользователь может вставлять  разнообразные устройства, удовлетворяющие  заданному стандарту, и тем самым  устанавливать конфигурацию своей  машины в соответствии со своими личными  предпочтениями. Для того, чтобы соединить друг с другом различные устройства компьютера, они должны иметь одинаковый интерфейс (англ. interface от inter — между, и face — лицо). Интерфейс — это средство сопряжения двух устройств, в котором все физические и логические параметры согласуются между собой. Если интерфейс является общепринятым, например, утверждённым на уровне международных соглашений, то он называется стандартным. Каждый из функциональных элементов (память, монитор или другое устройство) связан с шиной определённого типа — адресной, управляющей или шиной данных. Для согласования интерфейсов периферийные устройства подключаются к шине не напрямую, а через свои контроллеры (адаптеры) и порты примерно по такой схеме:

Контроллеры и адаптеры представляют собой наборы электронных цепей, которыми снабжаются устройства компьютера с целью совместимости их интерфейсов. Контроллеры, кроме этого, осуществляют непосредственное управление периферийными  устройствами по запросам микропроцессора. Основные характеристики компьютера —  разрядность, тактовая частота, объем  оперативной памяти.  Процессор. Важнейшей характеристикой процессора, определяющей его быстродействие, является его тактовая чистота, то есть количество базовых операций (например, операций сложения двух двоичных чисел), которые  производит процессор за одну секунду.  Другой характеристикой процессора является его разрядность. Разрядность  процессора определяется количеством  двоичных разрядов, которые процессор  обрабатывает за один такт. У первых отечественных компьютеров разрядность  процессора была равна 8 битам. У современного процессора Pentium IV равна 64 бита. Другая основная характеристика компьютера объём оперативной памяти. Оперативная память представляет множество ячеек каждая ячейка имеет свой двоичный адрес и её объём равен 1 байту. Производительность компьютера является его интегральной характеристикой, которая зависит от частоты и разрядности процессора, объёма оперативной и внешней памяти и скорости обмена данными, она определяется в процессе тестирования по скорости выполнения определенных операций в стандартной программной среде.