авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Г. Р. КАДЫРОВА

ИНФОРМАЦИОННОЕ И КОМПЬЮТЕРНОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Обзор лекций по информатике

(В двух частях)

Часть 1

Учебное пособие Ульяновск УлГТУ 2011 1 УДК 681.3.06 (075) ББК 22.18я7 К 13 Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры «Информационные техно логии» УлГУ Кумунжиев К. В., зав. кафедрой «Гуманитарные и естественно-научные дисциплины»

филиала ПАГС, канд. пед. наук, доцент Болтачева Ж. В.

Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Кадырова, Г. Р.

Информационное и компьютерное обеспечение. Обзор лекций по К 13 информатике. (В двух частях). Часть 1 : учебное пособие / Г. Р. Кадырова. – Ульяновск : УлГТУ, 2011. – 147 с.

ISBN 978-5-9795-0908- Данное пособие охватывает основные разделы современной информатики, очер ченные стандартом дисциплины для данных специальностей.

В настоящее время информатика и ее практические результаты становятся важ нейшим двигателем научно-технического прогресса и развития человеческого общест ва. Ее технической базой являются средства обработки и передачи информации. Ско рость их развития поразительна, в истории человечества этому бурно развивающемуся процессу нет аналога. Теперь уже очевидно, что XXI век станет веком максимального использования достижений информатики во всех сферах жизни.

Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обуче ния для направления 08010062 «Экономика» профили: «Финансы и кредит», «Бухгал терский учет и аудит», «Налоги и налогообложение» при подготовке к лекционным за нятиям по курсу «Информатика» и для индивидуального обучения теоретическим ос новам информатики.

Подготовлено на кафедре «Прикладная математика и информатика».

УДК 681.3.06 (075) ББК 22.18я © Кадырова Г. Р., ISBN 978-5-9795-0908-2 © Оформление. УлГТУ, ОГЛАВЛЕНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ........................................................................................................ 5  ТЕМА 1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАТИКИ И ИНФОРМАЦИИ.......................... 7  ИНФОРМАТИКА.......................................................................................................... 7  ИНФОРМАЦИЯ.......................................................................................................... 10  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................................... 15  ТЕМА 2. КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ................................................................ 16  КОДИРОВАНИЕ ДАННЫХ ДВОИЧНЫМ КОДОМ........................................................... 16  СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ............................................................................................. 16  КОДИРОВАНИЕ ЦЕЛЫХ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ................................................ 22  КОДИРОВАНИЕ ТЕКСТОВЫХ ДАННЫХ...................................................................... 23  КОДИРОВАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ДАННЫХ.................................................................. 24  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................................... 28  ТЕМА 3. ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА................................................ 29  ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ....................... 29  ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА............................................................................... 29  ЕДИНИЦЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ...................................................................... 30  ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАННЫХ............................................................................... 30  ЕДИНИЦЫ ХРАНЕНИЯ ДАННЫХ................................................................................ 30  ПОНЯТИЕ О ФАЙЛОВОЙ СТРУКТУРЕ......................................................................... 31  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................................... 32  ТЕМА 4. ЭВОЛЮЦИЯ СРЕДСТВ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ...... 34  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................................... 44  ТЕМА 5. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭВМ.. 45  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................................... 48  ТЕМА 6. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН.......... 49  КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО ПРИНЦИПУ ДЕЙСТВИЯ................................................. 49  КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО ЭТАПАМ СОЗДАНИЯ И ЭЛЕМЕНТНОЙ БАЗЕ................... 50  КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО НАЗНАЧЕНИЮ.............................................................. 56  КЛАССИФИКАЦИЯ ЭВМ ПО РАЗМЕРАМ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МОЩНОСТИ............. 57  Большие компьютеры........................................................................................ 58  Малые компьютеры........................................................................................... 60  Микрокомпьютеры............................................................................................ 60  Суперкомпьютеры............................................................................................. 69  Кластерные суперкомпьютеры........................................................................ 72  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ......................................................................................... 73  ТЕМА 7. АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ...................................................... 75  СИСТЕМНЫЙ БЛОК.................................................................................................... 76  Корпус системного блока.................................................................................. 76  Материнская плата........................................................................................... 77  Чипсет............................................................................................................... 78  Процессор........................................................................................................ 79  Шины материнской платы............................................................................. 81  Оперативная память........................................................................................ 90  Микросхема ПЗУ и система BIOS................................................................. 90  Энергонезависимая память CMOS................................................................ 91  Жесткий диск...................................................................................................... 92  Накопители на DVD– дисках............................................................................ 93  Видеокарта (видеоадаптер)............................................................................. 94  Звуковая карта................................................................................................... 95  МОНИТОР................................................................................................................. 95  КЛАВИАТУРА............................................................................................................ 99  МАНИПУЛЯТОР МЫШЬ.......................................................................................... 102  ДРУГИЕ УСТРОЙСТВА ПЕРСОНАЛЬНОГО КОМПЬЮТЕРА.......................................... 104  Устройства ввода графических данных........................................................ 104  Устройства вывода данных............................................................................ 104  Флэш– память.................................................................................................. 105  Модем................................................................................................................. 106  Устройство бесперебойного питания (УБП)............................................... 106  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ....................................................................................... 107  ТЕМА 8. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ................................................ 110  ПРАВОВАЯ ОХРАНА ПРОГРАММ............................................................................. 110  УРОВНИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ............................................................... 112  КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ......................................................... 113  Системное ПО (system software)..................................................................... 114  Операционные системы (ОС)...................................................................... 115  Классификация операционных систем.................................................... 115  Роль и место UNIX в истории ОС............................................................ 119  Операционные системы Windows............................................................ 124  Файловая система...................................................................................... 129  Драйверы........................................................................................................ 132  Служебные программы (утилиты).............................................................. 132  Инструментальное ПО................................................................................... 134  Прикладное ПО (application Software)..........................

.................................. 135  Графические редакторы............................................................................... 135  Комплект офисных приложений MS OFFICE........................................... 137  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ....................................................................................... 138  ТЕМА 9. КОМПЬЮТЕР БУДУЩЕГО – ТЕНДЕНЦИИ.............................. 141  КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ....................................................................................... 147  БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................................. 147  Предисловие Данное учебное пособие раскрывает понятие информатики через его осно вополагающие компоненты – информацию и компьютер. Соединяясь на прак тике, информация и компьютер образуют информационный процесс.

Широко известно, что первые компьютеры создавались для проведения расчетов в ядерной физике, в летательной и ракетной технике. Последовавшее далее внедрение их в область административного управления и экономики дало не только экономический эффект, но и привело к созданию и бурному росту новой отрасли – средств и методов электронной обработки информации.

Появились новые компьютеры, новые методы и средства общения с ними.

Возникла новая информационная промышленность, производящая дорогостоя щую и малоосязаемую продукцию. Информация стала товаром. Электронно вычислительные машины, созданные первоначально для решения вычисли тельных задач, стали обрабатывать числовую, текстовую, графическую и дру гую информацию.

Вычислительная техника сразу же показала свою эффективность в тех об ластях человеческой деятельности, где широко использовались методы челове ческого моделирования – точные количественные методы. Сюда относятся фи зика, механика и пр. Но есть области человеческой деятельности, которые еще недавно считались недоступными для методов математического моделирова ния, а следовательно, и для компьютера. В них шло накопление отдельных фак тов, давалось качественное описание объектов и событий. Их назвали описа тельными науками. Развитие электронно-вычислительной техники, средств и методов общения с ней, создание автоматизированных информационно поисковых систем, методов распознавания образов привели к тому, что компь ютеры стали способны проводить описательный анализ изучаемых объектов.

Появилось новое направление исследований – разработка машинного (искусст венного) интеллекта. Описательные науки получили компьютеры в качестве нового рабочего инструмента.

Современная информатика очень велика по объему и очень динамична.

В понимании некоторых людей информатика есть совокупность приемов и ме тодов работы с компьютерами. На самом деле это не так: компьютеры являются лишь техническим средством, с помощью которого информатика реализует свой прикладной пользовательский аспект.

Информатика – комплекс научно-практических дисциплин, изучающих все аспекты получения, хранения, преобразования, передачи и использования информации. Более детальное обсуждение содержания информатики, отраже ние разных точек зрения приводится в теме 1. Однако, из какого бы определе ния ни исходить, у современной информатики есть два взаимодополняющих аспекта – научный и технологический. Первый является более устоявшимся, второй – весьма мобильным, хотя и в технологической части информатики есть вполне сформировавшееся ядро.

Приведем примеры. Так, существует большое количество алгоритмиче ских языков программирования, и допустим, что человеку, умеющему работать с Паскалем, приходится браться за Си. Новая система обозначений, дополни тельные возможности – на некоторое время это может полностью поглотить внимание, но постепенно приходит понимание: главное – навыки к алгоритми зации и структурированию данных, и если они есть, то кодирование алгоритмов на другом языке – дело не самое сложное. Или переход на другую программу из данного класса программ, но с большими возможностями. И так с любой про граммой.

Итак, главное при изучении информатики – освоить фундаментальные по нятия каждой из ее областей, ориентироваться в их взаимосвязи, приобрести навыки практической работы с важнейшими техническими и программными средствами.

Данное пособие охватывает основные разделы современной информатики, очерченные стандартом дисциплины для данных специальностей. Очень важна теоретическая база, закладываемая в темах 1 и 2.

Без отчетливого понимания истории развитии вычислительных средств (тема 4), классификации ЭВМ (тема 6), основ функционирования вычислитель ной техники (темы 3, 5, 7), уровней и классификации программного обеспече ния (тема 8), будущего развития компьютерных технологий (тема 9) нельзя всерьез освоить многие разделы информатики.

Данное пособие может быть использовано как для подготовки к лекцион ным занятиям по курсу «Информатика», так и для индивидуального обучения теоретическим основам информатики.

Тема 1. Понятие информатики и информации Информатика Термин «информатика» (l’informatique) введен французскими учеными около 30 лет тому назад. Французская Академия Наук определяла информатику как «науку об осуществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесообразной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и сообщений в технических, экономических и социальных областях». Этот термин образовался соединением двух ключевых слов – «информация» и «автоматика». Это бурно развивающаяся наука.

В англоязычных странах более ужился термин «computer science»

(компьютерная, вычислительная наука, наука о компьютерах, точнее, наука о преобразовании информации с помощью компьютеров). В нашей стране принято более широкое и фундаментальное толкование информатики.

Следует отметить, что определений информатики в современной литературе множество.

Информатика – это наука, изучающая структуру, общие свойства, вопросы сбора, хранения, поиска, переработки (преобразования), использования (актуализации) информации. Это – классическое определение информатики.

Информатика – наука об информации и информационных процессах, о моделях и моделировании, об алгоритмах и алгоритмизации, о программах и программировании для различных классов исполнителей алгоритмов, в частности, компьютеров, об их использовании в общественном развитии. Это определение информатики назовем «рабочим» определением информатики;

оно используется часто при рассмотрении научно-практических проблем.

Информатика – наука, изучающая информационные аспекты системных процессов и системные аспекты информационных процессов. Это определение можно считать системным определением информатики.

С информатикой часто связывают одно из следующих понятий: это либо отрасль производства, либо фундаментальная наука, либо прикладная дисцип лина, либо совокупность определенных средств, используемых для преобразо вания информации. В соответствии с этим структура информатики приведена на рис. 1.1.

В состав технических средств входят компьютеры и связанные с ними периферийные устройства (мониторы, клавиатуры, принтеры и плоттеры, мо демы и т. д.), линии связи и т. п., т. е. те материальные ресурсы, которые обес печивают преобразование информации, причем главенствующую роль в этом списке играет компьютер. По своей специфике компьютер нацелен на решение очень широкого круга задач по преобразованию информации, при этом выбор конкретной задачи при использовании компьютера определяется программным средством, под управлением которого функционирует компьютер.

К программным средствам (продуктам) относятся операционные систе мы, служебные программы, системы программирования и проектирования про граммных продуктов, различные прикладные пакеты, такие, как текстовые и графические редакторы, бухгалтерские и издательские системы и т.д. Конкрет ное применение каждого программного продукта специфично и служит для решения определенного круга задач прикладного или системного характера.

средства для преобразования информации технические программные математические средства продукты методы и модели, (hardware) (software) алгоритмы (brainware) информа тика отрасль фундаментальная прикладная производства наука дисциплина производство технических методология создания изучение закономерностей и программных средств средств преобразования информационных процессов информации разработка технологий разработка информационных преобразования теория информационной систем и технологий информации техники Рис 1.1. Структура информатики Математические методы, модели и алгоритмы являются тем базисом, который положен в основу проектирования и изготовления любого программ ного или технического средства в силу их исключительной сложности и, как следствие, невозможности умозрительного подхода к созданию.

Перечисленные выше три ресурсных компонента информатики играют разную роль в процессе информатизации общества. Так, совокупность про граммных и технических средств, имеющихся в том или ином обществе, и по зволяет сделать его информационным, когда каждый член общества имеет воз можность получить практически любую (исключая, естественно, секретную) интересующую его информацию (такие потребители информации называются конечными пользователями). В то же время, сложность технических и про граммных систем заставляет использовать имеющиеся технические и про граммные продукты, а также нужные методы, модели и алгоритмы для проек тирования и производства новых и совершенствования старых технических и программных систем. В этом случае можно сказать, что средства преобразова ния информации используются для производства себе подобных. Тогда их пользователем является специалист в области информатики, а не конечный пользователь.

Разработкой абстрактных методов, моделей и алгоритмов, а также связан ных с ними математических теорий занимается фундаментальная наука. Ее прерогативой является исследование процессов преобразования информации и на основе этих исследований разработка соответствующих теорий, моделей, методов и алгоритмов, которые затем применяются на практике.

Практическое использование результатов исследований информатики как фундаментальной науки воплощается в информатике – отрасли производст ва. В самом деле, широко известны западные фирмы по производству про граммных продуктов, такие как Microsoft, Borland, и технических средств – IBM, Apple, Intel, Hewlett Packard и другие. Помимо производства самих техни ческих и программных средств разрабатываются также и технологии преобра зования информации.

Подготовкой специалистов в области преобразования информации занима ется информатика как прикладная дисциплина. Она изучает закономерности протекания информационных процессов в конкретных областях и методологию разработки конкретных информационных систем и технологий.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

• аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

• программное обеспечение средств вычислительной техники;

• средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

• средства взаимодействия человека с аппаратными и программными сред ствами.

Как видно из этого списка, в информатике особое внимание уделяется во просам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие – интер фейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программ ными средствами называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппарат но-программные интерфейсы.

Основной задачей информатики является систематизация приемов и мето дов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной тех ники. Цель систематизации состоит в выделении, внедрении и развитии передо вых, наиболее эффективных технологий, в автоматизации этапов работы с дан ными, а также в методическом обеспечении новых исследований.

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для информатики ключевым понятием является эффективность.

В информатике все жестко ориентировано на эффективность. Вопрос, как сделать ту или иную операцию, для информатики является важным, но не ос новным. Основным же является вопрос, как сделать данную операцию эффек тивно.

Информация Как видно из определения информатики, ее функций и задач одним из ключевых понятий информатики является информация.

Для определения информации нам очень важно понять, что информация образуется из данных, но ее содержательная часть зависит не только от того, какие сигналы были зарегистрированы при образовании данных, но и от того, каким методом данные воспроизводятся. Данные – это зарегистрированные сигналы.

Методы воспроизведения и обработки данных можно разделить на есте ственные и технические.

Естественные методы воспроизведения данных присущи человеку и дру гим организмам живой природы. Если мы говорим о человеке, то, прежде всего, к естественным методам относим все методы, основанные на его органах чувств (зрение, осязание, обоняние, слух и вкус).

Благодаря зрению человек получает отпечаток окружающей среды на сет чатке глаза. Сигналы регистрируются нервными окончаниями сетчатки, в ре зультате чего образуются данные, которые впоследствии анализируются голов ным мозгом. Результатом этого анализа является наблюдаемый образ, то есть информация.

Вам, конечно, знакома разница между внимательным и невнимательным наблюдением. И в том и в другом случае на сетчатке глаза образуются совер шенно одинаковые данные, но информацию мы получаем разную. Это связано с тем, что при внимательном наблюдении мозг применяет более сложные мето ды обработки данных.

Хороший пример того, как из одних и тех же данных образуется разная информация, представляют собой стереограммы. Их следует рассматривать так, чтобы левый и правый глаз фокусировались в разных точках рисунка. В этом случае мозг обрабатывает данные иным методом, и вместо регулярного узора мы можем наблюдать скрытое объемное изображение.

Кроме методов, основанных на органах чувств, человек обладает и други ми методами обработки данных. К ним относится логическое мышление, вооб ражение, сравнение, сопоставление, анализ, прогнозирование и другие.

В связи с бурным развитием вычислительной техники в последние годы в классе технических методов четко выделились два направления: аппаратные и программные методы, способные во многих случаях подменять или дополнять друг друга.

Широкое внедрение средств вычислительной техники позволяет автомати зировать обработку самых разных видов данных с помощью компьютеров.

Компьютер – это прибор особого типа, в котором одновременно сочетаются аппаратные и программные методы обработки и представления информации.

До сих пор мы определили только данные как результат регистрации сиг налов. Определить, что такое информация, не столь просто, хотя бы потому, что она, в отличие от данных, не является объектом материальной природы и образуется в результате взаимодействия данных с методами.

Несмотря на то, что понятие информации очень широко используется и в науке, и в повседневной жизни, его строгого научного определения до послед него времени не существовало. По сей день разные научные дисциплины вво дят это понятие по-разному. Здесь можно выделить три возможных подхода:

антропоцентрический, техноцентрический и недетерминированный.

Суть антропоцентрического подхода состоит в том, что информацию ото ждествляют со сведениями или фактами, которые теоретически могут быть по лучены и усвоены, то есть преобразованы в знания. Этот подход в настоящее время применяется наиболее широко. Согласно этому подходу, информация – это сведения об окружающем мире, являющиеся объектом хранения, преобра зования, передачи и использования. Сведения – это знания, выраженные в сиг налах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т. д.

Суть техноцентрического подхода состоит в том, что информацию ото ждествляют с данными. Этот подход нашел очень широкое распространение в технических дисциплинах.

Недетерминированный подход к понятию информации встречается также достаточно широко. Он состоит в отказе от определения информации на том основании, что оно является фундаментальным, как, например, материя и энергия.

Научное определение информации дается достаточно просто, если предпо ложить, что информация – это динамический объект, не существующий в при роде сам по себе, а образующийся в ходе взаимодействия данных и методов.

Он существует ровно столько, сколько длится это взаимодействие, а все ос тальное время пребывает в виде данных.

Информация – это продукт взаимодействия данных и методов, рас смотренный в контексте этого взаимодействия.

В нашем определении важным является пояснение «... рассмотренный в контексте этого взаимодействия». Приведем примеры, почему это действи тельно важно.

Анализируя информационную ценность газет, журналов, телепередач, мы можем прийти к выводу, что она зависит как от данных, так и от методов, кото рыми выполняется их потребление. Одно дело – внимательно просматривать телефильм, вслушиваясь в каждое слово, и совсем другое – смотреть его, одно временно разговаривая по телефону.

Попробуйте проанализировать свое участие в учебных занятиях. Вы заме тите, что фактор внимательности влияет на содержание информации, получен ной из данных, которые излагает преподаватель. Проявляя внимательность, мы расширяем возможности естественных методов, основанных на органах чувств, за счет методов логического мышления. Правда, при этом мы быстрее утомляемся.

Характерными чертами информации являются следующие:

это наиболее важный ресурс современного производства: он снижает потребность в земле, труде, капитале, уменьшает расход сырья и энергии;

вызывает к жизни новые производства;

является товаром, причем продавец информации ее не теряет после продажи;

придает дополнительную ценность другим ресурсам, в частности, трудовым. Действительно, работник с высшим образованием ценит ся больше, чем со средним;

информация может накапливаться.

С информацией всегда связывают три понятия:

источник информации – тот элемент окружающего мира, сведения о котором являются объектом преобразования;

потребитель информации – тот элемент окружающего мира, который использует информацию;

сигнал – материальный носитель, который фиксирует информацию для переноса ее от источника к потребителю.

Одной из важнейших разновидностей информации является информация экономическая;

ее отличительная черта – связь с процессами управления кол лективами людей, организаций.

Экономическая информация – это совокупность сведений, возникающих в процессе производственно-хозяйственной, коммерческой и финансовой дея тельности.

Совокупность экономической информации структурно можно свести к оп ределенному набору экономических показателей (ЭП).

Простой, элементарной составляющей единицей экономической информа ции является реквизит.

Реквизит – логически неделимый элемент (нельзя разделить на более мел кие единицы – буквы, цифры – без потери смысла) показателя, соотносимый с определенным свойством отображаемого информацией объекта или процесса.

Каждый ЭП состоит из одного реквизита–основания и одного или нескольких реквизитов–признаков.

Реквизит–основание характеризует количественную сторону объекта или процесса и определяет значение показателя;

реквизиты–признаки характеризу ют качественную сторону и определяют наименование показателя (идентифи цируют показатель).

Информационный процесс – это всегда цикл образования информации из данных и немедленного ее сохранения в виде новых данных. Информация су ществует крайне непродолжительное время, но сам информационный процесс длится столько, сколько существуют носители данных, представляющие ин формацию. Исследуя сегодня египетские иероглифы, ученые продолжают ин формационный процесс, начатый несколько тысяч лет назад.

В вычислительной технике, как и везде, информационный процесс проте кает в ходе взаимодействия данных и методов. Однако он имеет особенность, связанную с тем, что некоторые этапы происходят автоматически, без участия человека. В ходе этих этапов данные, представленные зарегистрированными сигналами, взаимодействуют как с аппаратными методами (компьютерами и другими устройствами), так и с программными методами (компьютерными программами).

При этом важной особенностью компьютерных программ является их двойственная природа. С одной стороны, они проявляют себя как методы, а с другой стороны – как данные.

Компьютерные программы могут существовать в двух фазах: в активной и пассивной. В активной фазе программа работает совместно с оборудованием, ее команды управляют процессором компьютера, который под их воздействием обрабатывает данные и взаимодействует с другим оборудованием.

В пассивной фазе компьютерная программа ничем от данных не отличает ся. Ее точно так же можно хранить, транспортировать по каналам связи, вос производить в виде печатного текста или экранного изображения. Ее можно даже обрабатывать другими программами. Программу, представленную как данные, можно редактировать, то есть изменять ее содержание.

Классификацию информации выполняют по нескольким основаниям (эта классификация не является строгой и может меняться).

По времени возникновения:

а) априорная – известна потребителю заранее, до получения сигнала;

б) апостериорная – становится известной потребителю после получения сигнала.

Так, получаемая сейчас читателем информация является априорной, если он освоил азы информатики в школе, и апостериорной в противном случае.

По стабильности:

а) переменная – отражает фактические характеристики источника инфор мации;

может меняться.

б) постоянная – неизменная и многократно используемая в течение дли тельного периода времени. Строго говоря, и эта информация может меняться, но с гораздо меньшей частотой, которой можно пренебречь.

Так, в настоящем учебном пособии используются оба вида информации.

Упомянутые выше фирмы – производители технических и программных средств – относятся к первому виду. В самом деле, может статься, что к момен ту прочтения данного текста эти фирмы перестанут существовать на рынке производителей. В то же время весь понятийный аппарат, излагаемый по тек сту, относится к постоянной информации и является тем понятийным базисом, который позволяет специалистам– информатикам говорить на одном профес сиональном языке.

По способу использования:

а) вспомогательная – необязательные данные;

б) закрытая – ее использование возможно с согласия определенных физи ческих или юридических лиц;

в) избыточная – дублирует данные;

г) коммерческая – является объектом купли–продажи.

Отметим в качестве комментария, что излагаемая в учебном пособии ин формация не является ни закрытой, ни коммерческой. Ее нельзя рассматривать как вспомогательную информацию – данный материал важен как минимум для сдачи экзамена в сессию. В то же время, возможна избыточность, которая вво дится умышленно для лучшего понимания.

Будучи объектом преобразования и использования, информация характе ризуется следующими свойствами:

синтаксис – свойство, определяющее способ представления информа ции на носителе (в сигнале). Так, данная информация представлена на бумаж ном носителе с помощью определенного шрифта. Здесь же можно рассматри вать такие параметры представления информации, как стиль и цвет шрифта, его размеры, формат бумаги и ее качество и т. д. Выделение нужных параметров как синтаксических свойств, очевидно, определяется предполагаемым спосо бом преобразования. Например, для плохо видящего человека существенным является размер и цвет шрифта. Если предполагается вводить данный текст в компьютер через сканер, важен формат бумаги.

семантика – свойство, определяющее смысл информации как соответ ствие сигнала реальному миру. Так, семантика сигнала «информатика» заклю чается в данном ранее определении. Семантика может рассматриваться как не которое соглашение, известное потребителю информации, о том, что означает каждый сигнал (так называемое правило интерпретации). Например, именно семантику сигналов изучает начинающий автомобилист, штудирующий прави ла дорожного движения, познавая дорожные знаки (в этом случае сигналами выступают сами знаки). Семантику слов (сигналов) познает обучаемый какому– либо иностранному языку. Можно сказать, что смысл настоящего обучения ин форматике заключается в изучении семантики различных сигналов – суть клю чевых понятий этой дисциплины.

прагматика – свойство, определяющее влияние информации на поведе ние потребителя. Так прагматика информации, получаемой читателем настоя щего учебного пособия, заключается, по меньшей мере, в успешной сдаче экза мена по информатике. Хочется верить, что этим прагматика данного труда не ограничится, и он послужит для дальнейшего обучения и профессиональной деятельности читателя.

Следует отметить, что различные по синтаксису сигналы могут иметь оди наковую семантику. Например, сигналы «ЭВМ» и «компьютер» означают элек тронное устройство для преобразования информации. В этом случае обычно говорят о синонимии сигналов. С другой стороны, один сигнал (т. е. информа ция с одним синтаксическим свойством) может иметь разную прагматику для потребителей и семантику. Так, дорожный знак, известный под названием «кирпич» и имеющий вполне определенную семантику («въезд запрещен»), оз начает для автомобилиста запрет на въезд, а на пешехода никак не влияет. В то же время, сигнал «ключ» может иметь разную семантику: скрипичный ключ, родниковый ключ, ключ для открытия замка или гаечный ключ (в этом случае говорят об омонимии сигнала).

Сила и целенаправленность влияния информации на получателя зависят от степени соответствия характеристик информации – синтаксических, семанти ческих, прагматических – возможностям и потребностям получателя. Структу ра сообщений, их смысл и практическая ценность всегда ориентированы на оп ределенного получателя.

Контрольные вопросы 1. От каких слов произошел термин «информатика»?

2. Что изучает наука информатика?

3. Что входит в состав технических средств?

4. Что относится к программным средствам?

5. Приведите структуру информатики.

6. Какие три компонента можно выделить в информатике как средстве преоб разования информации?

7. Что понимается под словом hardware?

8. Что понимается под словом software?

9. Что понимается под словом brainware?

10. Чем занимается информатика как фундаментальная наука?

11. Чем занимается информатика как отрасль производства?

12. Перечислите фирмы, занимающиеся производством аппаратных и про граммных продуктов.

13. Назовите ключевое понятие и основной вопрос Информатики.

14. Что в Информатике понимается под данными?

15. Что в Информатике понимается под информацией?

16. Поясните, почему данные не тождественны информации? Привести примеры.

17. В чем заключается динамичность информации?

18. На какие классы можно подразделить методы обработки данных?

19. Что понимается под экономической информацией?

20. Что является простой, элементарной составляющей единицей экономиче ской информации?

21. Что характеризует реквизит–основание?

22. Что характеризует реквизит–признак?

23. В чем заключается двойственность компьютерной программы?

24. По каким признакам и как классифицируется информация?

25. Что определяют такие свойства информации, как синтаксис, семантика, прагматика?

Тема 2. Кодирование данных Кодирование данных двоичным кодом Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно ис пользуется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки – это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи.

К языкам близко примыкают азбуки (системы кодирования компонентов языка с помощью графических символов). История знает интересные, хотя и безус пешные попытки создания «универсальных» языков и азбук.

Та же проблема универсального средства кодирования достаточно успеш но реализуется в отдельных отраслях техники, науки и культуры. В качестве примеров можно привести систему записи математических выражений, теле графную азбуку, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и многое другое.

Своя система существует и в вычислительной технике – она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последователь ностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по– английски – binary digit, или, сокращенно, bit (бит). Бит – двоичный раз ряд, принимающий значение 0 или 1.

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, чер ное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 Тремя битами можно закодировать восемь различных значений:

000 001 010 011 100 101 110 Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодиро вания, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе. Таким образом, если есть n бит, можно закодиро вать 2n символов.

Системы счисления Люди всегда считали и записывали числа, даже пять тысяч лет назад.

Но записывали они их совершенно по-другому, по другим правилам.

Известно множество способов представления чисел. Число изображается символом или группой символов некоторого алфавита. Такие символы называ ются цифрами.

Числа складываются из цифр по особым правилам. На разных этапах раз вития человечества, у разных народов эти правила были различны. Сегодня мы их называем системами счисления.

Система счисления – это совокупность приемов и правил для обозначения и именования чисел.

Все системы счисления делятся на позиционные и непозиционные. Непо зиционные системы счисления появились раньше позиционных. Последние яв ляются результатом длительного исторического развития непозиционных сис тем счисления.

В непозиционной системе счисления цифры не меняют своего количест венного значения при изменении их расположения в числе. Например, в рим ской непозиционной системе счисления для каждого числа используется неко торый набор базовых символов (I, V, X, L, C, D, M), соответствующих числам 1, 5, 10, 50, 100, 500, 1000. Остальные значения чисел получаются из базовых путем сложения (например, 700=DCC) или вычитания (например, 800=CCM).

Позиционные системы счисления – это системы, в которых количествен ные значения цифр, используемых для записи чисел, зависят от их положения.

Наиболее распространенными в настоящее время позиционными система ми счисления являются десятичная, двоичная, восмеричная и шестнадцатиричная.

Основными характеристиками позиционной системы счисления являются алфавит цифр, основание и разряд.

Алфавит системы счисления – это совокупность всех цифр, используемых в системе счисления.

Основание системы счисления – количество цифр, используемое для пред ставления чисел.

Основанием может быть любое натуральное число.

Разряд – позиция цифры в числе.

Соответствие между первыми несколькими натуральными числами всех четырех систем счисления представлено в таблице 2.1.

Таблица 2. Таблица соответствия чисел в разных системах счисления Десятичная Двоичная Восьмеричная Шестнадцатеричная система система система cистема 0 0 0 1 1 1 2 2 3 11 3 4 4 5 101 5 6 110 6 7 111 7 10 8 9 1001 11 10 1010 12 A 11 1011 13 B 12 1100 14 C 13 1101 15 D 14 1110 16 E 15 1111 17 F 20 16 Для перевода чисел из одной системы счисления в другую существуют оп ределенные правила. Они различаются в зависимости от формата числа – целое или правильная дробь. Для вещественных чисел используется комбинация пра вил перевода для целого числа и правильной дроби.

Перевод чисел в десятичную систему счисления В позиционной системе счисления любое число может быть представлено в развернутом виде. Возьмем число в десятичной системе счисления 247,32, и представим его в следующем виде:

247,3210 = 2*100 + 4*10+7*1+3/10+2/100 = 2*102 + 4*101 + 7*100 + 3*10– 1 + 2*10– 2.

Мы записали число в развернутой форме, в которой:

2,4,7,3,2 – цифры числа 10 – основание системы счисления показатели степени: 2, 1, 0, –1, –2 соответствуют номеру позиции цифры в числе.

Основанием системы счисления может служить любое натуральное число:

2, 3, 4 и т. д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем.

Пусть q – основание системы счисления, n – число разрядов целой части числа, m – число разрядов дробной части числа, ai – цифра числа, Aq – само число, тогда развернутую форму для числа представленного в любой системе счисления можно записать в общем виде следующим образом:

Aq = an– 1*qn– 1 + an– 2*qn– 2 +... + a0*q0 + a– 1*q– 1 + a– 2*q– 2+... +a– m*q– m, qi – называется весом цифры числа.

Вес цифры числа равен степени, где основание степени равно основанию системы счисления, а показатель – номеру позиции цифры в числе.

Развернутая форма записи числа равна сумме произведений цифры числа на ее вес.

Примеры развернутых записей чисел в различных системах счисления:

1. 423,3125 = 4*52 + 2*51+ 3*50+ 3*5– 1+1*5– 2 +2*5– 3.

2. 423,3128 = 4*82 + 2*81+ 3*80+ 3*8– 1+1*8– 2 +2*8– 3.

Развернутая форма служит для перевода чисел из любой системы счисле ния в десятичную.

Алгоритм перевода чисел из любой системы счисления в десятичную:

Представить число в развернутой форме. При этом основание системы счисления должно быть представлено в десятичной системе счисления.

Найти сумму ряда (выражения). Полученное число является значением числа в десятичной системе счисления.

Перевод из десятичной системы счисления в любую другую Перевод из десятичной системы счисления в любую другую более сложен, чем, наоборот, из любой в десятичную. При этом необходимо учитывать, что алгоритмы перевода целых чисел и правильных дробей различаются.

Алгоритм перевода целых чисел Разделить данное число на основание новой системы счисления. Зафикси ровать целое частное и остаток от деления (остаток всегда меньше основания).

Если полученное частное больше основания, то разделить частное на осно вание и вновь зафиксировать новое частное и остаток от деления.

Повторять процесс до тех пор, пока частное не получится меньше делителя.

Полученные остатки, являющиеся цифрами числа в новой системе счисле ния, привести в соответствие с ее алфавитом.

Записать последнее частное и полученные остатки в обратном порядке в ряд слева направо.

В качестве примера переведем 1910 в двоичную систему счисления соглас но алгоритму.

1 форма записи 2 форма записи Алгоритм перевода правильных десятичных дробей Последовательно выполнять умножение исходной десятичной дроби и по лучаемых дробей на основание системы до тех пор, пока не получим нулевую дробную часть или не будет достигнута требуемая точность вычислений.

Получить искомую дробную часть, записав полученные целые части про изведения в прямой последовательности.

В качестве примера рассмотрим перевод десятичной дроби 0,7510 в двоич ную систему, согласно алгоритму:

1 форма записи Ответ: 0,7510 = 0,112.

2 форма записи Перевод произвольных чисел Перевод произвольных чисел, т. е. содержащих целую и дробную часть, осуществляется в два этапа. Отдельно переводится целая часть, отдельно – дробная. В итоговой записи полученного числа целая часть отделяется от дроб ной запятой.

Примеры:

Перевод из двоичной системы счисления в шестнадцатеричную 1) исходное число разбивается на тетрады (т. е. 4 цифры), начиная с млад ших разрядов. Если количество цифр исходного двоичного числа не кратно 4, оно дополняется слева незначащими нулями до достижения кратности 4;

2) каждая тетрада заменятся соответствующей шестнадцатеричной цифрой в соответствии с таблицей 2.1.

Пример. Выполнить перевод числа 100112 в шестнадцатеричную систему счисления.

Поскольку в исходном двоичном числе количество цифр не кратно 4, до полняем его слева незначащими нулями до достижения кратности 4 числа цифр. Имеем:

В соответствии с таблицей 2.1: 00112 = 112 = 316 и 00012 = 12 = 116.

Тогда 100112 = 1316.

Перевод из шестнадцатеричной системы счисления в двоичную 1) каждая цифра исходного числа заменяется тетрадой двоичных цифр в соответствии с таблицей 2.1. Если в таблице двоичное число имеет менее 4 цифр, оно дополняется слева незначащими нулями до тетрады;

2) незначащие нули в результирующем числе отбрасываются.

Пример. Выполнить перевод числа 1316 в двоичную систему счисления.

По таблице имеем:

116 = 12 и после дополнения незначащими нулями двоичного числа 12 = 00012;

316 = 112 и после дополнения незначащими нулями двоичного числа 112 = 00112.

Тогда 1316 = 000100112. После удаления незначащих нулей имеем 1316 = 100112.

Перевод из двоичной системы в восьмеричную выполняется аналогично правилу перевода из двоичной в шестнадцатеричную систему, за исключением того, что исходное число разбивается не по 4 цифры, а по 3.

Перевод из восьмеричной ситемы в двоичную выполняется аналогично правилу перевода из шестнадцатеричной системы счисления в двоичную, за ис ключением того, что исходное число разбивается не по 4 цифры, а по 3.

Кодирование целых и действительных чисел Для кодирования целых чисел от 0 до 255 достаточно иметь 8 разрядов двоичного кода (8 бит).

0000 0000 = 0000 0001 = ……………… 1111 1110 = 1111 1111 = Шестнадцать бит позволяют закодировать целые числа от 0 до 65535, а 24 бита – уже более 16,5 миллионов разных значений.

Для кодирования действительных чисел используют 80-разрядное кодиро вание. При этом число предварительно преобразуется в нормализованную форму:

3,1415926 = 0,31415926* 300 000 = 0,3* 0,0035 = 0,35*10– 123 456 789 = 0,123456789* Первая часть числа называется мантиссой, а вторая – характеристикой (порядком). В нормализованной форме мантисса числа должна быть меньше 1, и первая значащая цифра после запятой отлична от нуля. Большую часть из 80 бит отводят для хранения мантиссы (вместе со знаком) и некоторое фикси рованное количество разрядов отводят для хранения порядка (тоже со знаком).

Привычная для человека запись действительных чисел в виде 12.35 назы вается форма с фиксированной точкой. Внутреннее представление этого числа в компьютере будет: 1.235Е+01, которое называется формой с плавающей точ кой. Буква Е отделяет десятичный порядок от мантиссы.

Кодирование текстовых данных Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодиро вать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для ко дирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского алфавитов как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые общепринятые специальные символы, например символ «$».

Для кодирования текстов используются различные таблицы перекодиров ки. Важно, чтобы при кодировании и декодировании одного и того же текста использовалась одна и та же таблица.

Таблица перекодировки – таблица, содержащая упорядоченный некото рым образом перечень кодируемых символов, в соответствии с которым проис ходит преобразование символа в его двоичный код и обратно.


Для английского языка, захватившего де-факто нишу международного средства общения, противоречия уже сняты. Институт стандартизации США (ANSI – American National Standard Institute) ввел в действие систему кодирова ния ASCII (American Standard Code for Information Interchange – стандартный код информационного обмена США). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования: базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения ко дов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.

Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производи телям аппаратных средств (в первую очередь, производителям компьютеров и печатающих устройств). В этой области размещаются так называемые управ ляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответ ственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных.

Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского ал фавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов.

Поддержка производителей оборудования и программ вывела американ ский код ASCII на уровень международного стандарта, и национальным систе мам кодирования пришлось «отступить» во вторую, расширенную часть систе мы кодирования, определяющую значения кодов со 128 по 255. Отсутствие единого стандарта в этой области привело к множественности одновременно действующих кодировок. Только в России можно указать три действующих стандарта кодировки и еще два устаревших.

Так, например, кодировка символов русского языка, известная как коди ровка Windows–1251, была введена «извне» – компанией Microsoft, но, учиты вая широкое распространение операционных систем и других продуктов этой компании в России, она глубоко закрепилась и нашла широкое распростране ние. Эта кодировка используется на большинстве локальных компьютеров, ра ботающих на платформе Windows. Де-факто она стала стандартной в россий ском секторе World Wide Web.

Другая распространенная кодировка носит название КОИ–8 (код обмена информацией, восьмизначный). На базе этой кодировки ныне действуют коди ровки КОИ8–Р (русская) и КОИ8–У (украинская). Сегодня кодировка КОИ8–Р имеет широкое распространение в компьютерных сетях на территории России и в некоторых службах российского сектора Интернета. В частности, в России она де-факто является стандартной в сообщениях электронной почты и теле конференций.

Международный стандарт, в котором предусмотрена кодировка символов русского алфавита, носит название кодировки ISO (International Standard Organization – Международный институт стандартизации). На практике дан ная кодировка используется редко.

В связи с изобилием систем кодирования текстовых данных, действующих в России, возникает задача межсистемного преобразования данных – это одна из распространенных задач информатики.

Если проанализировать организационные трудности, связанные с создани ем единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то же время очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возмож ных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, получила название универсальной – UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обеспечить уникальные коды для 65 536 различных символов – этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Тексты, закодированные при помощи одной таблицы, не будут правильно отображаться в другой кодировке.

Кодирование графических данных Изображение передают сигналы, имеющие аналоговую, непрерывную форму. Поэтому они преобразуются в дискретную форму путем дискретизации, т. е. разбиения непрерывного графического изображения на отдельные элементы.

В процессе дискретизации производится кодирование, т. е. присвоение ка ждому элементу конкретного значения в форме двоичного кода.

При кодировании изображения происходит его пространственная дискре тизация. Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки, а, значит, изображение составляется из большего количества точек, тем выше качество кодирования. Чем большее ко личество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать боль ше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а, зна чит, увеличивается качество кодирования. Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое и векторное изображение. Отдельным предметом считается 3D (трехмерная) графика, в ко торой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображе ний. Она изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Для каждого вида используется свой способ коди рования графической информации.

Растровое изображение Если рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение, на печатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек (далее одну такую точку будем называть пикселем), образую щих характерный узор, называемый растром.

На изображение накладывается прямоугольная сет ка – растр, которая позволяет разбить рисунок на конечное количество элементов – пикселей.

Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей на информационный объем одной точки, ко торый зависит от количества возможных цветов. Качество изображения опре деляется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. По скольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яр кость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растро вое кодирование позволяет использовать двоичный код для представления гра фических данных.

Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразрядного двоичного числа.

Если говорить о кодировании цветных графических изображений, то нуж но рассмотреть принцип декомпозиции произвольного цвета на основные со ставляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK.

Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т. е. удобна для челове ка, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK – для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что све товой поток может формироваться излучениями, представляющими собой ком бинацию «чистых» спектральных цветов: красного, зеленого, синего или их производных.

1) Модель HSB характеризуется тремя компонентами: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планиру ется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в каче стве печатной. Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет.

Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по пери метру – чистым цветам.

2) Принцип метода RGB заключается в следующем: известно, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех цветов: красного (Red, R), зе леного (Green, G), синего (Blue, B). Другие цвета и их оттенки получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих.По первым буквам основных цветов система и получила свое название – RGB. Данная цветовая модель яв ляется аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетанием основных цветов в различных пропорциях.

3) Принцип метода CMYK. Эта цветовая модель используется при подго товке публикаций к печати. Каждому из основных цветов ставится в соответст вие дополнительный цвет (дополняющий основной до белого). Получают до полнительный цвет за счет суммирования пары остальных основных цветов.

Значит, дополнительными цветами для красного является голубой (Cyan, C) = зеленый + синий = белый – красный;

для зеленого – пурпурный (Magenta, M) = красный + синий = белый – зеленый;

для синего – желтый (Yellow, Y) = крас ный + зеленый = белый – синий. Причем принцип декомпозиции произвольно го цвета на составляющие можно применять как для основных, так и для до полнительных, то есть любой цвет можно представить или в виде суммы крас ной, зеленой, синей составляющей или же в виде суммы голубой, пурупурной, желтой составляющей. В основном такой метод принят в полиграфии. Но там еще используют черный цвет (BlacК, так как буква В уже занята синим цветом, то обозначают буквой K). Это связано с тем, что наложение друг на друга до полнительных цветов не дает чистого черного цвета.

Различают несколько режимов представления цветной графики:

а) полноцветный (True Color);

б) High Color;

в) индексный.

При полноцветном режиме для кодирования яркости каждой из состав ляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 раз ряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза.


Обычно при кодировании пикселя на каждый из каналов (красный, зеле ный, синий каналы) отводится по одному 8-битному байту;

четвертый байт (ес ли используется) обычно отводится либо для хранения данных альфа-канала, либо просто игнорируется. Такое выравнивание до четырех байт оптимально подходит для 32-битной архитектуры – оптимально используется шина ЭВМ.

Кроме того, использование 24-битной адресации требует реализации умноже ния на 3, что составляет большую вычислительную нагрузку, чем умножение на 4, которое может быть реализовано с помощью сдвига.

32-битный TrueColor может хранить альфа-канал, с помощью которого ус танавливается степень прозрачности пикселей для отображения полупрозрач ных изображений, например, для отображения эффекта полупрозрачных окон, растворяющихся меню и теней.

При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда.

Режим High Color – это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то есть уменьшается количество двоичных разрядов при кодировании каждой точки. Но при этом значительно уменьшается диапазон кодируемых цветов.

При индексном кодировании цвета можно передать всго лишь 256 цвето вых оттенков. Каждый цвет кодируется при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, то подразумевается, что к графическим данным прилагается палитра (справочная таблица), без которой воспроизведение будет неадекватным: море может получиться красным, а листья – синими. Сам код точки растра в данном случае означает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в палитре. От сюда и название режима – индексный.

Двоичный код изображения, выводимого на экран, хранится в видеопамя ти. В видеопамяти любое изображение представляется в растровом виде. Экран монитора разбит на фиксированное число пикселей.

Разрешающая способность экрана монитора – размер растра, задаваемого в виде произведения M*N, где М – количество точек по горизонтали, N – ко личество точек по вертикали (число строк).

Количество цветов, воспроизводимых на экране монитора (K), и число бит, отводимых в видеопамяти под каждый пиксель (b) (битовая глубина), связаны формулой: К=2b.

Объем видеопамяти, необходимой для хране ния одной страницы изображения: V=b*M*N.

Векторное и фрактальное изображения Векторное изображение – это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изображения является ли ния. Как и любой объект, она обладает свойствами:

формой (прямая, кривая), толщиной, цветом, начертанием (пунктирная, сплош ная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Так как линия описывается математически как единый объект, то и объем данных для отображения объекта средствами векторной графики значи тельно меньше, чем в растровой графике. Информация о векторном изображе нии кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специаль ными программами.

К программным средствам создания и обработки векторной графики отно сятся следующие графические редакторы: CorelDraw, Adobe Illustrator, а также векторизаторы (трассировщики) – специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные.

Фрактальная графика основывается на математических вычислениях, как и векторная. Но в отличие от векторной ее базовым элементом является сама ма тематическая формула. Это приводит к тому, что в памяти компьютера не хра нится никаких объектов, и изображение строится только по уравнениям.

При помощи этого способа можно строить простейшие регулярные структуры, а также сложные иллюстрации, которые имитируют ландшафты.

Контрольные вопросы 1. Как кодируются данные в вычислительной технике?

2. Что такое двоичное кодирование?

3. Что такое бит?

4. Сколько различных символов (значений) можно закодировать тремя битами?

5. Сколько различных символов (значений) можно закодировать одним байтом?

6. Сколько двоичных разрядов требуется для кодирования 65 536 целых чисел?

7. Отличие позиционных и непозиционных систем счисления.

8. Чему равны основания десятичной, двоичной, восьмеричной и шестнадцати ричной систем счисления? Перечислить цифры, использующиеся в них.

9. Что представляет собой нормализованная форма, форма с фиксированной точкой и форма с плавающей точкой для действительных чисел?

10. Какие системы кодирования текстовой информации вы знаете?

11. Сколько разрядов используется для кодирования в системе ASCII?

12. Какие две таблицы закреплены в системе ASCII?

13. Какие коды размещены в базовой таблице системы ASCII, и что в них зако дировано?

14. Какие коды размещены в расширенной таблице системы ASCII, и что в них закодировано?

15. Какие типы изображений вы знаете?

16. Отличие растрового изображения от векторного.

17. Как кодируется черно-белое изображение?

18. Как кодируются цветные графические изображения?

19. Какие системы кодирования цветных графических изображений вы знаете?

20. Какие существуют режимы представления цветной графики?

21.Сколько двоичных разрядов требуется для режимов True Color и High Color?

Тема 3. Запоминающие устройства.

Единицы измерения и хранения информации Запоминающие устройства Это устройства, предназначенные для хранения информации.

Наиболее важными характеристиками ЗУ являются емкость (объем храни мой информации) и быстродействие (время доступа к информации).

Внутренние ЗУ непосредственно взаимодействуют с процессором, имеют высокое быстродействие и относительно небольшую емкость. К внутренним ЗУ относятся: внутренняя память процессора (регистры), кэш-память, оперативная память (ОП, ОЗУ, RAM), постоянная память (ПП, ПЗУ, ROM), энергонезави симая память (CMOS).

Регистры – это внутренняя память процессора. Она имеет высокое быст родействие и малую емкость (сотни байтов). Данные загружаются в регистры из ОП, обрабатываются в них процессором, а потом опять записываются в ОП.

К внутренним ЗУ относится кэш-память процессора, но часто и различные внешние устройства имеют свою собственную кэш-память. Обмен данными внутри процессора происходит в несколько раз быстрее, чем обмен с другими устройствами, например с оперативной памятью. Для того чтобы уменьшить количество обращений к оперативной памяти, внутри процессора создают бу ферную область – так называемую кэш-память. Это как бы «сверхоперативная память». Когда процессору нужны данные, он сначала обращается в кэш память, и только если там нужных данных нет, происходит его обращение в оперативную память. Принимая блок данных из оперативной памяти, процес сор заносит его одновременно и в кэш-память. «Удачные» обращения в кэш память называют попаданиями в кэш. Процент попаданий тем выше, чем боль ше размер кэш-памяти, поэтому высокопроизводительные процессоры ком плектуют повышенным объемом кэш-памяти. Сегодня кэш-память устанавли вается «пирамидой».

Основная память (ОП) предназначена для хранения и оперативного об мена информацией с прочими блоками машины. ОП содержит два вида за поминающих устройств: постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) и опера тивное запоминающее устройство (ОЗУ).

ПЗУ (ROM – Read Only Memory) предназначено для хранения неиз меняемой (постоянной) программной и справочной информации;

позволяет опе ративно только считывать информацию, хранящуюся в нем.

ОЗУ (RAM – Random Access Memory) предназначено для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных), непосредст венно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в текущий период времени. Главными достоинствами оперативной памяти являются ее высокое быстродействие и возможность обращения к каждой ячей ке памяти отдельно (прямой адресный доступ к ячейке). В качестве недостатка оперативной памяти следует отметить невозможность сохранения информации в ней после выключения питания машины (энергозависимость).

Кроме основной памяти на системной плате ПК имеется и энергонезависимая память CMOS RAM (Complementary Metal–Oxide Semiconductor RAM), постоян но питающаяся от своего аккумулятора;

в ней хранится информация об аппаратной конфигурации ПК (обо всей аппаратуре, имеющейся в компьютере), которая про веряется при каждом включении системы.

Внешние ЗУ (электромеханические устройства – накопители на дисках – жесткий диск, флэш-память) взаимодействуют с процессором через внутренние ЗУ, имеют большую емкость и относительно низкое быстродействие.

Единицы представления данных Существует множество систем представления данных. С одной из них, принятой в информатике и вычислительной технике, двоичным кодом, мы по знакомились выше. Наименьшей единицей такого представления является бит (двоичный разряд). Группы из восьми битов называются байтами. Байт – ми нимальная адресуемая ячейка памяти.

Группа из 16 взаимосвязанных битов (двух взаимосвязанных байтов) в ин форматике называется словом. Соответственно, группы из четырех взаимосвя занных байтов (32 бита) называются удвоенным словом.

Единицы измерения данных Наименьшей единицей измерения является байт.

Более крупные единицы измерения данных образуются добавлением пре фиксов кило–, мега–, гига–, тера–, пета–.

1Кбайт = 1024 байт = 210 байт.

1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт.

1 Гбайт = 1024 Мбайт =230 байт.

1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт.

1 Пбайт = 1024 Тбайт = 250 байт.

Единицы хранения данных При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение).

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем.

Проще всего представить себе файл в виде безразмерного канцелярского досье, в которое можно по желанию добавлять содержимое или извлекать его оттуда. Поскольку в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл, имеющий 0 байтов (пустой файл), и файл, имеющий любое число байтов.

В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в себе адресные данные, без которых данные, хранящиеся в файле, не станут информацией из-за отсутствия метода доступа к ним. Кроме функций, связанных с адресацией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем (расширение или тип файла). Для автоматических средств работы с данными это важно, поскольку по имени файла они могут автоматиче ски выбрать наиболее адекватный метод для извлечения информации из него.

Файловая система предоставляет возможность работы с двумя вариантами имен файлов – длинным и коротким.

До появления операционной системы Windows 95 общепринятым спосо бом именования файлов на компьютерах IBM PC было соглашение 8.3. Соглас но этому соглашению, принятому в MS DOS, имя файла состоит из двух частей:

собственно имени и расширения имени. На имя файла отводилось 8 символов, а на его расширение – 3 символа. Имя от расширения отделяется точкой.

Как имя, так и расширение могут включать только алфавитно-цифровые симво лы латинского алфавита.

При записи имени файла разрешается использовать только буквы англий ского алфавита и цифры. Начинаться имя должно с буквы. Пробелы и знаки препинания не допускаются, за исключением восклицательного знака (!), тиль ды (~) и символа подчеркивания (_).

После введения в действие операционной системы Windows 95 требования к именам файлов стали существенно мягче. Они действуют и во всех после дующих версия операционных систем Windows.

1. Разрешается использовать до 255 символов.

2. Разрешается использовать символы национальных алфавитов, в частно сти русского.

3. Разрешается использовать пробелы и другие ранее запрещенные симво лы, за исключением следующих девяти: /\:*?"|.

4. В имени файла можно использовать несколько точек. Расширением имени считаются все символы, стоящие за последней точкой.

Роль расширения имени файла чисто информационная, а не командная.

Если файлу с рисунком присвоить расширение имени ТХТ, то содержимое файла от этого не превратится в текст. Его можно просмотреть в программе, предназначенной для работы с текстами, но ничего вразумительного такой про смотр не даст.

Понятие о файловой структуре Требование уникальности имени файла очевидно – без этого невозможно гарантировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной техники требование уникальности имени обеспечивается автоматически – соз дать файл с именем, тождественным уже имеющемуся, нельзя.

Хранение файлов организуется в иерархической структуре, которая в дан ном случае называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Далее файлы группиру ются в каталоги (папки), внутри которых могут быть созданы вложенные ка талоги (папки). Путь доступа к файлу начинается с имени устройства и вклю чает все имена каталогов (папок), через которые он проходит. В качестве разде лителя используется символ «\» (обратная косая черта).

Уникальность имени файла обеспечивается тем, что полным именем файла считается собственное имя файла вместе с путем доступа к нему. Понятно, что в этом случае на одном носителе не может быть двух файлов с тождествен ными полными именами.

Путь доступа к файлу \ Имя. расширение Пример записи полного имени файла:

имя носителя\имя каталога– 1\...\имя каталога– N\собственное имя файла Вот пример записи двух файлов, имеющих одинаковое собственное имя и размещенных на одном носителе, но отличающихся путем доступа, то есть полным именем:

С:\Мои документы\Лекции\Информатика\Лекция 1.doc С:\Мои документы\Лекции\История\Лекция 1.doc В данных примерах мы имеем два файла с одинаковым собственным име нем Лекция 1.doc. Однако это разные файлы. Они различаются полными име нами, в состав которых кроме собственного имени входит также и путь досту па. Забегая вперед, скажем, что не только на одном носителе, но и на одном компьютере не может быть двух файлов с одинаковыми полными именами, так как все носители имеют разные имена. А если заглянуть дальше, в Интернет, то можно сказать, что и во всем мире не может быть двух файлов с одинаковыми полными именами, так как в масштабах Всемирной сети каждый компьютер имеет уникальный адрес.

О том, как на практике реализуются файловые структуры, мы узнаем не сколько позже, когда познакомимся со средствами вычислительной техники и с понятием файловой системы (см. раздел Файловая система).

Контрольные вопросы 1. Назовите наиболее важные характеристики запоминающих устройств.

2. Охарактеризуйте внутренние запоминающие устройства.

3. Перечислите внутренние запоминающие устройства.

4. Дайте характеристику регистрам процессора.

5. Дайте характеристику кэш-памяти.

6. Что включает в себя основная память ПК?

7. Дайте характеристику ПЗУ.

8. Дайте характеристику ОЗУ.

9. Что означают ROM и RAM?

10. Дайте характеристику CMOS.

11. Охарактеризуйте внешние запоминающие устройства.

12. Какие устройства относятся к внешним запоминающим устройствам?

13. Что является наименьшей единицей представления данных?

14. Что такое байт?

15. Что такое компьютерное слово?

16. Что такое компьютерное удвоенное слово?

17. Что является наименьшей единицей измерения данных?

18. Какие единицы измерения данных вы знаете?

19. Что является единицей хранения данных?

20. Что такое файл?

21. Назовите минимальный размер файла.

22. Что означает короткое и длинное имя файла?

23. Какие символы не допускаются в имени файла?

24. Допускается ли использование нескольких точек в имени файла?

25. Что означает расширение имени файла?

26. Что такое файловая структура?

27. Что является вершиной файловой структуры?

28. Что представляет собой путь доступа к файлу?

29. Что понимается под полным именем файла?

Тема 4. Эволюция средств вычислительной техники Для последних десятилетий характерно возрастание интереса к истории развития информатики, в первую очередь к истории появления первых цифро вых вычислительных машин и их создателям. В большинстве развитых стран созданы музеи, сохраняющие образцы первых машин, проводятся конференции и симпозиумы, выпускаются книги о приоритетных достижениях в этой области.

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит вглубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдаю щихся ученых мира.

В дневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452–1519) уже в наше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным набро ском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американ ской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной со стоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изна чальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора – важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень при митивный (с ручным управлением). В те далекие от нас годы гениальный уче ный был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необхо димость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений.

Однако потребность в этом была настолько малой (точнее, ее не было со всем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи на шелся другой европеец – немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592–1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счет ную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных чи сел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной в основном с вычислениями, Шик кард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена. Свою машину он назвал: «Суммирующие часы». К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила. По-видимому, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить его замысел.

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало из вестно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

В 1641–1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль (1623–1662), тогда еще мало кому известный французский ученый, создает действующую суммирую щую машину («Паскалину»). Вначале он сооружал ее с одной единственной це лью – помочь отцу в расчетах, выполняемых при сборе налогов. В последую щие четыре года им были созданы более совершенные образцы машины.

Они были шести– и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес, могли производить суммирование и вычитание десятичных чисел. Было созда но примерно 50 образцов машин, Б. Паскаль получил королевскую привилегию на их производство (устройство, которое стало первым в мире механическим калькулятором, выпускавшимся серийно), но практического применения «пас калины» не получили, хотя о них много говорилось и писалось (в основном, во Франции).



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.