Основы информатики
5
Под термином «информация» понимают знания, данные, сведения, отражающие реальный мир. Информация – то, что есть.
Термин «информатика» введен в употребление с середины 60-х годов – это фундаментальная наука, изучающая процессы хранения, передачи и обработки информации. Как научная дисциплина она определяет методологические принципы информационного моделирования, реальной действительности и манипулирование такими моделями с помощью средств вычислительной техники.
Информатика классифицируется двумя особенностями:
- ресурсы = информация = результат
- может уменьшаться, но не увеличиваться
Для решения задач информатики выделяют 3 неразрывно и существенно связанных класса средств:
- алгоритмические – обеспечивают описание предметной области на языке, близком и привычном человеку.
Информационные модели реальных объектов, явлений и основанные на этих моделях алгоритмы обработки информации.
Алгоритм – конечный набор правил, позволяющий решать любую конкретную задачу из некоторого класса однотипных задач, при условии, что исходные данные для решения могут изменяться в заданных пределах.
Модели и алгоритмы реализуются в виде программных средств, баз знаний и баз данных.
- программные – обеспечивают описание предметной области на языке, понятном ЭВМ.
Комплексы готовых к использованию программ, предназначенных для выполнения на технических средствах процедур обработки информации (размещение и корректировка информации в машинной памяти, поиск и выбор необходимой информации, преобразование информации из человекочитаемой в машиночитаемую форму и наоборот). К программным средствам относятся ОС, пакеты прикладных программ, системы управления базами данных и базами знаний, системы программирования для различных языков.
- технические - ЭВМ, периферийные устройства (клавиатура, монитор, манипуляторы), средства сбора и передачи информации.
Информатика рассчитана на решение практических задач, все возникало лишь в связи с острой необходимостью.
Программа – конечная последовательность действий, описанная специальным языком (=алгоритм на специальном языке). Процессор управляет деятельностью. Все программы в компьютере должны быть написаны на одном единственном языке. Процессоры отличаются по набору команд, которые они могут выполнять => чтобы обработать информацию, прежде всего необходимо ясно сформулировать цель этой обработки и задачи, которые надо решить для достижения этой цели. Далее – написать алгоритмы решения задач и создать программы, реализующие эти алгоритмы. Затем – использовать необходимые технические средства.
В идейном плане с 1946 года в компьютере ничего не изменилось – это цифровая машина, которая способна манипулировать только целыми, положительными числами.
Технические средства информатики
Типы ЭВМ
В настоящее время ЭВМ различаются по назначению, производительности, габаритным характерам.
Производительность определяется не только объемом работы процессора, но и объемом памяти (чем больше памяти, тем быстрее работает процессор), объемом передачи информации из оперативной памяти в процессор. Единица измерения – количество операций в секунду (опер/сек).
Классы ЭВМ:
- супер-ЭВМ – используется для проведения сложных вычислений, быстродействие – до десятков миллиардов операций в секунду, мультипроцессорные (одновременно работают до 100 процессоров)
- большие ЭВМ (main frames)
Фрейм – нечто целое, состоящее из множества элементов, связанных воедино => большая ЭВМ объединяет большое количество составных частей.
Используется для обработки больших объемов информации в банках, на крупных предприятиях, мультипроцессорные, допускают подключение до 200 сравнительно независимых рабочих мест, использующих возможности больших ЭВМ
- супермини-ЭВМ – мультипроцессорные, многопультовые системы управления крупными предприятиями, допускают подключение до 200 терминалов
Терминал – рабочее место, предназначенное для ввода исходной информации и получения результатов ее обработки (например, Internet)
- мини-ЭВМ – однопроцессорные, многопультовые системы управления предприятиями небольшого размера
- рабочие станции – используются для автоматизированного проектирования, для автоматизации экспериментов, имеют 1 процессор с высоким быстродействием, оперативная память большого объема, специализированная периферия
Периферия – устройства, которые подключаются к ЭВМ и могут быть отключены без ее выключения.
- микро-ЭВМ (персональные компьютеры) – для индивидуальной работы пользователей
Персональные ЭВМ:
1) Настольные ЭВМ (desk Top) – вес от 5 до 10 кг, электропитание от электросети
2) Переносные ЭВМ (Lap Top) – по возможностям не уступают Desk Top => высокая цена, могут быть подключены к батарее, электросети, вес 2,5-5 кг
3) Блокнотные (Note Book) – вес 700 г – 2,5 кг, электропитание от электросети через преобразователь напряжения, возможности небольшие
4) Электронные секретарь (PDA) – вес менее 700 г, питание, как у Note Book, набор возможностей позволяет выполнять записи текстов, вводить расписание, проводить простейшие расчеты
Аппаратные средства ЭВМ
I. Состав и особенности основных устройств
В персональных ЭВМ можно выделить:
- центральный (системный) блок
- периферия
Основные устройства в центральном блоке:
- центральный процессор (ЦП)
- внутренняя память
- материнская плата
- системная шина
ЦП – выполняет все арифметические и логические операции, включает в себя специальный электронный блок, устройства управления, которые включают в работу другие устройства. Через ЦП проходит вся обрабатываемая информация.
Материнская плата – основная плата ПК, обеспечивает подключение и согласование всех компонентов компьютера.
Системная шина – предназначена для передачи данных, адресов сигналов, между различными компонентами компьютера. Представляет собой группу электронных проводников.
Состоит из 3х частей:
шина данных – по ней передаётся вся обрабатываемая информация
шина адреса – определяет адрес передаваемых данных
шина управления – регулирует процесс обмена информацией.
Внутренняя память – несколько устройств, каждое из которых представляет собой 1 или несколько микросхем.
Основные виды внутренней памяти:
- постоянная (постоянное запоминающее устройство – ПЗУ);
- оперативная (ОЗУ);
- КЭШ-память;
- CMOS-память.
1) ПЗУ (ROM – Read Only Memory) – программы, которые обеспечивают начало работы компьютера, связь ЦП с другими устройствами и проверку работоспособности основных частей ЭВМ. Эти программы не уничтожаются при отключении компьютера, они доступны только для чтения и объединены в комплекс, который называется базовой системой ввода/вывода (BIOS – Basic Input/Output System), другие программы работают на основе программ BIOS. В нем создаются программы, в каждой из которых описаны особенности управления каким-либо основным устройством, эти программы называются драйверами.
Драйвер – программа, управляющая устройствами ввода/вывода.
2) ОЗУ (RAM – Random Access Memory) – память прямого доступа. Она предназначена только для ЦП (помещается информация, считывается, обрабатывается). Предназначена для хранения оперативной, часто изменяющейся информации. При отключении компьютера информация в ОЗУ исчезает – энергозависимая. Элементарная единица памяти – ячейка (регистр). Размещение информации в ячейках – запись информации в память. Передача информации из ячеек в какое-либо устройство или другие ячейки – считывание информации из ОЗУ. Каждая ячейка состоит из 8 элементов, каждый из которых находится в одном из двух состояний – 0/1.
3) КЭШ-память – располагается перед ЦП, необходима для согласования скорости работы медленных устройств с более быстрыми (например, ЦП и оперативная память). Наличие этой памяти значительно увеличивает производительность компьютера в целом.
4) CMOS-память – используется для постоянного хранения сведений об аппаратной конфигурации компьютера, это микросхема, питается от батареи, находящаяся в ней информация не уничтожается при отключении компьютера.
К периферийным (внешним) устройствам относятся:
- монитор
- клавиатура
- устройства печати
- устройства внешней памяти
т.е. устройства ввода/вывода, т.к. используются для ввода и вывода информации.
Устройства внешней памяти используются для длительного хранения информации, при их отключении она сохраняется => долговременные запоминающие устройства (ДЗУ).
Дисковые устройства устанавливаются в системном блоке. Передача данных между различными компонентами компьютера осуществляется по т.н. системной шине (системной магистрали данных). В компьютере она одна и представляет собой группу электрических проводников.
II. Дисковая память
В ПЭВМ в качестве ДЗУ используются накопители на дисках (на основе дисков) => память часто называют дисковой.
Они состоят из устройства чтения/записи (дисковод) и носителя информации (диск).
Существует несколько видов памяти: чаще всего используются накопители на сменных гибких магнитных дисках (НГМД), накопители на жестких несменных магнитных дисках (НЖМД) и накопители на сменных дисках (CD-ROM). В дисковых устройствах используются диски в основном 2 стандартных размеров:
- 3,5`` (гибкие и жесткие диски)
- 5,25`` (компакт-диск)
НГМД (FDD – Floppy Disk Drive – 3,5``) – пластиковая тонкая поверхность, используется в основном часть, близкая к центру => емкость сравнительно небольшая (≈1,457 МБ, в стандарте объем памяти – 1,44 МБ). Дискеты используют для переноса информации с одного компьютера на другой, если они не объединены в сеть. Производятся в виде диска 3,5``, выполненного из мягкого, гибкого материала с магниточувствительным покрытием, размещенном в жестком футляре.
НЖМД (HDD – Hard Disk Drive) – при производстве достигается большая прочность, это устройство можно ремонтировать 1 раз. Оно едино, в нем находится дисковод и несколько дисков, установленных на одной оси. Диск выполнен из алюминиевого сплава с магниточувствительным покрытием. Объем памяти таких накопителей измеряется десятками ГБ. Они используются в текущей работе, т.к. имеют большой объем памяти, скорость считывания/записи информации значительно выше, чем в других устройствах.
CD-ROM – предназначен только для чтения, объем памяти – не менее 600 МБ (в настоящее время стандарт – 650-700 МБ), используется для длительного хранения информации.
Как для гибких, так и для жестких дисков поверхность рассматривается как массив расположенных на них точек, каждая из которых может быть в одном из двух состояний – 1/0 (на магнитной поверхности – намагничена (1)/не намагничена (0)). Эти точки располагаются на траекториях (на CD – одна в виде спирали, на магнитных – множество концентрически расположенных траекторий). На CD информация располагается на 1 поверхности, на магнитных обе поверхности используются. Траектории называются дорожками (треками).
Магнитные диски. Количество дорожек для разных дисков различно, каждая из них по окружности разделяется на части, называемые секторами. Секторы имеют одинаковый размер и расположение => чем дальше от центра, тем меньший объем памяти используется. Количество секторов на всех дорожках всех поверхностей одинаково для конкретного диска, все секторы одинакового размера (стандартный – 512 Б = 1 сектор). У гибких дисков – две поверхности, в накопителях на НЖМД – несколько дисков => несколько поверхностей.
Все дорожки, находящиеся на одном расстоянии от центра и расположенные на разных поверхностях, образуют т.н. цилиндр. Все секторы, дорожки, поверхности и цилиндры нумеруются, начиная с 0, нулевой считается на верхней поверхности внешняя дорожка. Информация сначала записывается на все дорожки нулевого цилиндра, затем – первого и т.д.
Новый диск не пригоден для записи и считывания информации. Для того, чтобы сделать его пригодным к работе, надо с помощью специальной программы нанести специальные магнитные метки, разделяющие дорожки на секторы, т.е. произвести форматирование.
Для упрощения работы дисковое пространство жесткого диска разделяют на несколько фиксируемых частей (разделы). После этого физически он остается единым устройством, но для программ каждый раздел считается отдельным устройством памяти. Эти разделы называются логическими дисками. Пользователь с ними работает, как с отдельными устройствами памяти. Все устройства долговременной памяти имеют имена из одной латинской буквы (A,B – накопители для НГМД, C,D,E,F и т.д. – для НЖМД и устройств работы с CD.
III. Единицы измерения памяти. Объем памяти.
Память компьютера основана на использовании единиц информации, называемых байтами, в каждом из которых 8 бит. Бит представляется по разному, в зависимости от носителя информации (на бумаге – 0/1, во внутренней памяти – элемент, находящийся в одном из двух состояний, на магнитной поверхности – точкой (намагниченной/не намагниченной)).
Бит - позиция в ряду битов (0/1). Байт – 8 битов => каждый байт может принимать 256 значений (28 – от 00000000 до 11111111).
Любая информация кодируется определенной комбинацией битов, каждой ячейке внутренней памяти соответствует 1 байт, который объединяется в более крупные наборы в зависимости от цели использования (ввод/вывод, передача по каналам связи между устройствами и т.д.).
Одним из таких наборов называется т.н. «машинное слово» - такой набор, который обрабатывается ЦП одновременно. Для разных процессоров длина «машинного слова» различна, чем оно длиннее, тем быстрее работает компьютер.
Для измерения объема памяти используют единицы, называемые КБ, МБ, ГБ. Каждая единица измерения памяти формируется по отношению к предыдущей с помощью одного и того же коэффициента – 210 (=1024) => 1 КБ = 1024 байтам, 1 МБ = 1024 КБ, 1 ГБ = 1024 МБ.
Длина «машинного слова», объем оперативной памяти, объем КЭШ-памяти, объем ДЗУ – одни из основных характеристик ЭВМ. Чем длиннее «машинное слово», тем больше объемы оперативной и КЭШ-памяти и тем выше быстродействие. Чем больше объем ДЗУ, тем больше информации можно хранить в компьютере.
Представление данных в ЭВМ
Любая информация представляется в компьютере как последовательность байтов. В самих байтах нет информации о том, как их надо трактовать (числа/текстовые знаки/графическое изображение). В любом случае информация кодируется в виде последовательности 0 и 1, т.е. положительных целых двоичных чисел (число записывается с помощью двух цифр – 0/1). Их интерпретация зависит от того, какая программа и какое действие с ними совершает в данный конкретный момент. Если в программе присутствует последовательность команд, ориентированных на работу с числами, то байты рассматриваются, как числа. Если в программе предполагается действие с текстовыми данными, то байты интерпретируются, как условные числовые коды, обозначающие знаки текста.
I.Системы счисления
Любое число представляет собой кратную запись суммы (например, 168 = 100 + 60 + 8 = 1•102 + 6•101 + 8•100), т.е. число – последовательность коэффициентов при степенях числа 10 => если имеем число d = a1a2…an (a1a2…an – цифры), то d = a1 •10n-1 + a2 •10n-2 +…an • 100.
Кратко подобные суммы записываются следующим образом: n
Число 10 – основание десятичной системы счисления, если в качестве основания взять другое число, то получим другую систему записи чисел, т.е. другую систему счисления.
Система счисления задается величиной основания и множеством цифр. Цифры – специальные знаки, используемые для записи чисел. Их количество обязательно должно быть равно величине основания.
Любое число можно представить в различных системах счисления, эти представления будут строго (взаимно однозначно) соответствовать друг другу.
К примеру, определим 16-ричную систему счисления: основание = 16 =>должно быть 16 цифр (0-15) = 1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F. Здесь A-F – цифры 10,11,12,13,14,15. Такие обозначения используют в связи с тем, что цифры нельзя записывать с помощью других цифр, иначе возникнет путаница в чтении чисел. Запишем, как будет выглядеть в этой системе счисления десятичное число 168, имея в виду общий закон записи числа, а также то, что здесь основанием является 16, имеем: 168(10) = А •161 + 8 •160 => А8(16).
Арифметические действия в любой системе счисления выполняются аналогично тому, как это делается в 10-ричной системе счисления. Следует лишь величину основания.
К примеру, в 8-ричной системе счисления +15 = 1 • 8 1+ 5 • 80 =>+13
В компьютере все данные представляются в двоичной системе счисления. Например, число 5 в двоичной форме запишется как 101. Аналогично двоичное число 1111 соответствует десятичному числу 15: 1111(2) = 1 • 23 + 1 • 22 + 1 • 21 + 1 • 20
Т.е. четырьмя битами можно представить не более 16 десятичных чисел (0-15).
В качестве краткой записи при просмотре или исправлении двоичных данных, находящихся в памяти ЭВМ, используется 16-ричная система счисления. Программы, обеспечивающие «непосредственную» работу человека с памятью ЭВМ, при взаимодействии с ним автоматически преобразовывают двоичное представление данных в 16-ричное и обратно. Любое данное, записанное в 1 байте, представляется всего двумя 16-ричными цифрами, первая из которых соответствует первое четверке битов, а вторая цифра – второй четверке битов.
Такая форма представления двоичных чисел (данных), находящаяся в памяти ЭВМ, - компромисс между человеком и его понятиями об удобстве и компьютером, где вся информация представляется только в двоичной форме.
II.Типы данных и их представления
Одним байтом (8 бит) можно представить 256 положительных целых чисел (0-255). Такой тип данных называется однобайтовым целым без знака.
Числа, превышающие 255, требуют более одного байта для своего представления. Для работы с ними используются типы:
- двухбайтовые целые без знака – обеспечивают представление целых положительных чисел (0-65535)
- четырехбайтовые целые без знака - обеспечивают представление целых положительных чисел (0-≈4,2 млрд.)
Вышеперечисленные типы предполагают, что число должно быть только положительным => называются «без знака». Они отличаются объемом памяти, который отводится для хранения числа. Такие типы используются для числового кодирования знаков текста, цвета, интенсивности графических точек, нумерации элементов и т.д.
Для работы с целыми числами, которые могут быть не только положительными, но и отрицательными, используют типы:
- однобайтовые целые со знаком
- двухбайтовые целые со знаком
- четырехбайтовые целые со знаком
Они отличаются объемом памяти, который отводится для хранения каждого числа.
В основе представление как положительных, так и отрицательных чисел лежит следующий принцип: общее количество числовых кодов, возможных для данного количества байтов (например, для однобайтового – 256), делится пополам, одна половина используется для представления положительных чисел и нуля, другая – отрицательных чисел. Отрицательные числа представляются, как дополнение до общего количества числовых кодов. Например, для однобайтового число (-1) = 255, (-2) – 254 и т.д. до 128, которое обозначает число (-128) => однобайтовое целое со знаком позволяет работать с целыми числами от (-128) до 127, двухбайтовое – от (- 32768) до 32767, четырехбайтовое – от (≈-2,1 млрд.) до 2,1 млрд. (2147483648).
Числа со знаками используются для представления числовых данных, с которыми производятся арифметические действия.
При взаимодействии с программами используются следующие типы данных:
- целый короткий (SHORT)
- целый обычный (INTEGER)
- целый длинный (LONG INTEGER)
- вещественный с одинарной точностью (FLOAT/REAL)
- вещественный с двойной точностью (DOUBLEFLOAT/REAL)
- символьный (строковый, текстовый) (CHAR)
- логический (LOGIKAL)
Целый короткий, целый обычный и целый длинный – типы соответственно однобайтовое целое со знаком, двухбайтовое целое со знаком, четырехбайтовое целое со знаком.
В информатике при записи чисел в качестве знака, разделяющего дробную и целую часть, используется не запятая, а точка (например, 68.314). Эта точка фиксирует позицию, после которой указана дробная часть. Изменение местоположения точки приводит к изменению числа => такой вид записи (формат записи) вещественных чисел называется форматом с фиксированной точкой.
Вещественное число с плавающей точкой состоит из 2 частей:
- мантисса
- порядок
Они разделены специальным знаком (E,D). Мантисса представляет собой вещественное число с фиксированной точкой, порядок задается целым числом, указывающим в какую степень надо возвести число 10, чтобы при умножении на мантиссу получить число, которое имеется в виду. Например, 68.314 в таком формате можно записать как 6.8314Е+1 = 0.68314Е+2 = 683.14Е-1, что означает 6.8314 • 101 = 0.68314 • 102 = 68.314 • 10-1.
При таком виде записи местоположение точки не фиксировано, ее положение в мантиссе определяется величиной порядка. Мантисса и порядок могут иметь знак. Если мантисса по модулю <1, причем первая цифра не равна 0, то такой вид записи вещественного числа с плавающей точкой называется нормализованным (0.68314Е+2).
В компьютере вещественное число представляется в формате с плавающей точкой в нормализованном виде. Мантисса и порядок располагаются в соседних байтах, разделитель (E,D) отсутствует.
Обычно различают число с одинарной и двойной точностью. В первом случае при вводе или выводе числа в качестве разделителя мантиссы и порядка указывается E. В памяти ЭВМ такое число занимает обычно 4 байта. Во втором случае в качестве разделителя – D, в памяти ЭВМ число с двойной точностью занимает обычно 8 байтов. Этот тип обеспечивает значительно большую точность вычисления, чем одинарная точность.
Символьные данные составлены из отдельных текстовых знаков. Каждый знак представляется в памяти ЭВМ определенным числовым кодом. Для числового кодирования текстовых знаков используются специальные таблицы кодирования (однобайтовые, двухбайтовые и др.). Имеется в виду тип целого без знака, который использован для числового кодирования. Разные программы могут основываться на разных таблицах => тестовый документ, созданный с помощью одной программы, не обязательно может быть прочитан с помощью другой.
Величины логического типа принимают только два значения:
- TRUE (истина)
- FALSE (ложь)
К ним можно применять логические операции, основными из которых являются and (и), or (или), not (отрицание). And, or –к двум логическим величинам (a>c and a = b). Not – к одной логической величине (not a = b). Результатом выражения с логическими данными (логического выражения) является логическая величина. Результат операции and = TRUE только в одном случае, если обе величины = TRUE. Результат операции or = FALSE только в одном случае, если обе величины = FALSE. Операция not изменяет значение логической величины.
В смешанных выражениях приоритет у арифметических операций, затем – у сравнения, в последнюю очередь – у логических операций. Среди них наибольший приоритет у операции not, затем – and, после – or.
Файлы и их хранение
Любой информационный объект (отдельный документ, отдельная программа), хранящийся на диске и имеющий название является файлом. Информация о файлах (их название, размер, дата и время создания, место размещения на диске и т.д.) хранится в каталогах. Каталог – таблица, в каждой строке которой содержится информация о каком-либо файле или другом каталоге. Каталог = файл (кроме корневого) специального вида. При записи файлов на диск сведения о них автоматически записываются в те каталоги, которые указал пользователь. Условно для краткости речи говорят: «копировать файл из каталога в каталог», «создать каталог в каталоге», «удалить файл в каталоге» и т.п. Однако это на самом деле не происходит, поскольку в каталогах нет ни каталогов, ни файлов, там лишь сведения о них.
При формировании каждого диска на нем автоматически создается каталог, который называется корневым. Он занимает определенное место фиксируемого размера на диске. Его название состоит из 2 знаков: имя диска и двоеточие.
В корневом каталоге можно создать другие каталоги, которые называются подкаталогами или каталогами первого уровня иерархии. В свою очередь каталоги первого уровня иерархии могут создать каталоги второго уровня и т.д. Таким образом формируется иерархическая (древовидная) файловая структура данных на диске. Созданные пользователем каталоги – файлы. Каждый файл или каталог имеет название, состоящее из двух частей, разделенных точкой. Левая часть – имя, правая – расширение. Расширение вместе с точкой можно не указывать. В имени допустимо указывать не более 8 знаков (короткое имя) или не более 256 знаков (длинное имя). В расширении – не более 3 знаков. Стандартным считается использование в названии только латинских букв, цифр и знака подчеркивания. Рекомендуется для работы со списками файлы именовать с указанием расширения, а каталоги – без расширения.
- Основы информационного обеспечения управления
- Основы информационного права
- Основы информационной безопасности
- Основы информационной безопасности
- Основы информационной безопасности для организации ООО «СКБ Контур»
- Основы информационной безопасности для организации ООО СКБ Контур
- Основы информационной безопасности и защиты информации
- Основы имущественного страхования
- Основы индивидуального (персонифицированного) учета в РФ
- Основы инженерного творчества
- Основы инновационного менеджиента
- Основы инновационного менеджмента
- Основы инновационной деятельности
- Основы инфокоммуникационных технологий
