Информатика, основные понятия, предмет и задачи
История развития информатики, ее предмет и объект. Основные виды информации. Понятие и свойства алгоритмов, способы их описания. Компьютерная, растровая и векторная графика. Кодирование графических изображений. Понятия и термины программного обеспечения.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | учебное пособие |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 10.09.2015 |
| Размер файла | 1,2 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
Факультет: Естественно-педагогический
Кафедра: Экономика и информационные технологии
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
по дисциплине: «Информатика»
для студентов педагогических специальностей очной, заочной и вечерней формы обучения
Шымкент - 2013
Составитель: ст. преподователь Жукова Т.А.
Конспект лекции по дисциплине «Информатика» разработан, для студентов специальностей: ФКиСр, НВПр очной, заочной и вечерней форм обучения
Шымкент: ЮКГИ им. М. Сапарбаева, 2013, 172 с.
Конспект лекции составлены в соответствии с требованиями учебного плана и программой дисциплины «Информатика» и включает все необходимые сведения курса.
Конспект лекции выполнены для студентов специальности: ФКиСр, НВПр очной, заочной и вечерней форм обучения
Рецензент: к.т.н., доцент каф. «Э и ИТ» Игнашова Л.В.
Тема 1. Введение. Начала теоретической информации
1. Информатика - предмет и задачи
Информатика - это наука о методах создания, хранения, обработки и передачи информации с помощью технических средств.
Информатика как прикладная дисциплина занимается:
§ изучением закономерностей в информационных процессах;
§ созданием информационных моделей коммуникаций;
§ разработкой информационных систем и технологии переработки информации.
Главная функция информатики заключается в разработке методов и средства преобразования информации и их использовании в организации технологического процесса переработки информации.
Задачи информатики состоят в следующем:
§ исследование информационных процессов;
§ разработка новой технологий переработки информации;
§ решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и пользования компьютерной техники и информационной технологии.
2. Предмет, объект информатики. Структура информатики. Задачи информатики
Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации.
Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей.
Информатика как отрасль народного хозяйства состоит из однородной совокупности предприятий разных форм хозяйствования, где занимаются производством компьютерной техники, программных продуктов и разработкой современной технологии переработки информации. Специфика и значение информатики как отрасли производства состоят в том, что от нее во многом зависит рост производительности труда в других отраслях народного хозяйства. В настоящее время около 50% всех рабочих мест в мире поддерживается средствами обработки информации.
Информатика как фундаментальная наука занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. В Европе можно выделить следующие основные научные направления в области информатики: разработка сетевой структуры, компьютерно-интегрированные производства, экономическая и медицинская информатика, информатика социального страхования и окружающей среды, профессиональные информационные системы.
Информатика как прикладная дисциплина занимается:
· изучением закономерностей в информационных процессах (накопление, переработка, распространение);
· созданием информационных моделей коммуникаций в различных областях человеческой деятельности;
· разработкой информационных систем и технологий в конкретных областях и выработкой рекомендаций относительно их жизненного цикла: для этапов проектирования и разработки систем, их производства, функционирования и т.д.
Главная функция информатики заключается в разработке методов и средств преобразования информации и их использовании в организации технологического процесса переработки информации.
Задачи информатики состоят в следующем:
· исследование информационных процессов любой природы;
· разработка информационной техники и создание новейшей технологии переработки информации на базе полученных результатов исследования информационных процессов;
· решение научных и инженерных проблем создания, внедрения и обеспечения эффективного использования компьютерной техники и технологии во всех сферах общественной жизни.
Информатика существует не сама по себе, а является комплексной научно-технической дисциплиной, призванной создавать новые информационные техники и технологии для решения проблем в других областях. Комплекс индустрии информатики станет ведущим в информационном обществе. Тенденция к большей информированности в обществе в существенной степени зависит от прогресса информатики как единства науки, техники и производства.
3. Понятие информации. Виды информации. Представление информации. Кодирование информации. Единицы измерения информации
Информация является первичным и неопределяемым в рамках науки и понятием. Термин «информация» происходит от латинского “informatio”, что означает разъяснение, осведомление, изложение. Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (текст, звуки, изображения, анимация) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, которая состоит из двух цифр: 0 и 1. Цифра двоичной системы называется битом (bit- Binary digit -двоичная цифра).
Компьютер работает не с отдельными битами, а с восмью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт.
Байт (byte) - является основной единицей информации. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных символов (256=28).
Более крупными единицами информации являются:
1 Kb (килобайт) = 1024 b.
1 Mb (мегабайт) = 1024 Kb.
1 Gb (гигабайт) = 1024 Mb. (1024=210)
Например: Если на странице текста помещается в среднем 1500 символов, то 1 Мb - это примерно 500 страниц, а 1 Gb - 500 тыс. страниц.
Целые числа кодируются двоичным кодом довольно просто (путем деления числа на два). Для кодирования нечисловой информации используется следующий алгоритм: все возможные значения кодируемой информации нумеруются и эти номера кодируются с помощью двоичного кода.
Например, для представления текстовой информации используется таблица нумерации символов или таблица кодировки символов, в которой каждому символу соответствует целое число (порядковый номер). Восемь двоичных разрядов могут закодировать 256 различных символов.
Существующий стандарт ASCII (8 - разрядная система кодирования) содержит две таблицы кодирования - базовую и расширенную. Первая таблица содержит 128 основных символов, в ней размещены коды символов английского алфавита, а во второй таблице кодирования содержатся 128 расширенных символов. Так как в этот стандарт не входят символы национальных алфавитов других стран, то в каждой стране 128 кодов расширенных символов заменяются символами национального алфавита. В настоящее время существует множество таблиц кодировки символов, в которых 128 кодов расширенных символов заменены символами национального алфавита.
Так, например, кодировка символов русского языка Widows - 1251 используется для компьютеров, которые работают под ОС Windows. Другая кодировка для русского языка - это КОИ - 8, которая также широко используется в компьютерных сетях и российском секторе Интернет.
В настоящее время существует универсальная система UNICODE, основанная на 16 - разрядном кодировании символов. Эта 16 - разрядная система обеспечивает универсальные коды для 65536 различных символов, т.е. в этой таблице могут разместиться символы языков большинства стран мира. Для кодирования графических данных применяется, например, такой метод кодирования как растр. Координаты точек и их свойства описываются с помощью целых чисел, которые кодируются с помощью двоичного кода. Так черно-белые графические объекты могут быть описаны комбинацией точек с 256 градациями серого цвета, т.е. для кодирования яркости любой точки достаточно 8 - разрядного двоичного числа. Режим представления цветной графики в системе RGB с использованием 24 разрядов (по 8 разрядов для каждого из трех основных цветов) называется полноцветным. Для поноцветного режима в системе CMYK необходимо иметь 32 разряда (четыре цвета по 8 разрядов).
4. Основы защиты информации и ее методы
Проведение финансовых операций с использованием Интернета, заказ товаров и услуг, использование кредитных карточек, доступ к закрытым информационным ресурсам, передача телефонных разговоров требуют обеспечения соответствующего уровня безопасности.
Проблемы, возникающие с безопасностью передачи информации при работе в компьютерных сетях, можно разделить на три основных типа:
· перехват информации -- целостность информации сохраняется, но ее конфиденциальность нарушена;
· модификация информации -- исходное сообщение изменяется либо полностью подменяется другим и отсылается адресату;
· подмена авторства информации. Данная проблема может иметь серьезные последствия. Например, кто-то может послать письмо от вашего имени (этот вид обмана принято называть спуфингом) или Web-сервер может притворяться электронным магазином, принимать заказы, номера кредитных карт, но не высылать никаких товаров.
В соответствии с перечисленными проблемами при обсуждении вопросов безопасности под самим термином «безопасность» подразумевается совокупность трех различных характеристик обеспечивающей безопасность системы:
· Аутентификация -- это процесс распознавания пользователя системы и предоставления ему определенных прав и полномочий;
· Целостность -- состояние данных, при котором они сохраняют свое информационное содержание и однозначность интерпретации в условиях различных воздействий;
· Секретность -- предотвращение несанкционированного доступа к информации.
Угрозы безопасности информации и их классификация. Защита от несанкционированного вмешательства в информационные процессы. Организационные меры, инженерно-технические и иные меры защиты информации
Угрозы безопасности ИС могут вызывать следующие негативные последствия:
- потерю или утечку информации;
- нарушение нормального режима функционирования ИС;
По масштабам негативные последствия могут быть:
- на уровне группы (множества) ИС;
- на уровне отдельной ИС;
- на уровне подсистемы (компонента) ИС.
Угрозы безопасности могут использовать для доступа к ИС следующие каналы (рисунок 5) и их комбинации.
Говоря о каналах, способах и средствах воздействия угроз, в дальнейшем будем подразумевать антропогенные угрозы умышленного характера, поскольку они, как правило, наиболее изощренны и опасны. Реализация такой угрозы является ни чем иным, как компьютерным преступлением. Обобщенный алгоритм (способ) его совершения состоит из трех этапов - подготовки, реализации и завершения.
Каждый способ НСД характеризуется множеством программно-аппаратных средств и действий субъектов с использованием этих средств. Человек (субъект НСД) способен придумать принципиально новый способ реализации НСД или применить новые варианты известных способов.
Объект защиты в ИС - свойство, функция или компонент системы, нештатным (несанкционированным) воздействием на которые может быть нанесен ущерб самой системе, процессу и результатам ее работы, и как следствие - интересам личности, общества и государства.
Потребность в обеспечении интересов делает субъект информационных отношений уязвимым, т.е. потенциально подверженным нанесению ему ущерба (прямого, косвенного, материального, морального) посредством воздействия на критичную для него информацию, ее носители и средства обработки, либо посредством неправомерного использования такой информации.
Уязвимость ИС - это свойство ее компонента или процесса, путем использования которого может быть осуществлено несанкционированное воздействие на объекты защиты. Поскольку ИС являются сложными человеко-машинными системами, к защищаемым в них компонентам относятся: информация, пользователи, обслуживающий персонал, комплекс ТС хранения и обработки информации; коммуникации; ТС для обеспечения бесперебойной работы ИС; комплекс программных средств; средства защиты информации.
Объектами защиты в ИС являются также свойства и характеристики их нормальной (штатной) работы:
- целостность накапливаемой и циркулирующей информации;
- порядок доступа к охраняемой информации и ее использования;
- бесперебойность работы технических средств;
- корректность работы программных средств.
К наиболее защищаемым функциям (операциям) относятся:
- процедуры организации доступа к ИС (аутентификация пользователей);
- обработка информации (ввод, коррекция и удаление данных);
- администрирование ИС - (резервное копирование и проверка целостности, аудит системы, установление режимов и прав доступа).
Криптография. Для обеспечения секретности применяется шифрование, или криптография, позволяющая трансформировать данные в зашифрованную форму, из которой извлечь исходную информацию можно только при наличии ключа. В основе шифрования лежат два основных понятия: алгоритм и ключ. Алгоритм -это способ закодировать исходный текст, в результате чего получается зашифрованное послание. Зашифрованное послание может быть интерпретировано только с помощью ключа.
Защита информации в локальных компьютерных сетях, антивирусная защита
Компьютерные вирусы. Компьютерный вирус -- это программный код, встроенный в другую программу или в документ, или в определенные области носителя данных и предназначенные для выполнения несанкционированных действий на несущем компьютере.
Основными типами компьютерных вирусов являются:
* программные вирусы;
* загрузочные вирусы;
* макровирусы.
К компьютерным вирусам примыкают и так называемые троянские кони (троянские программы, троянцы).
Методы защиты от компьютерных вирусов.
Существуют три рубежа защиты от компьютерных вирусов:
· предотвращение поступления вирусов;
· предотвращение вирусной атаки, если вирус все-таки поступил на компьютер;
· предотвращение разрушительных последствий, если атака все-таки произошла.
Существуют три метода реализации защиты:
· программные методы защиты;
· аппаратные методы защиты;
· организационные методы защиты.
Антивирусы предназначены для защиты данных от разрушения компьютерных вирусов и ликвидации последствий заражения. Среди антивирусных программ наиболее популярны AIDSTEST, Dr.Web и Adinf входящие в состав комплекта АО «Диалог-Наука» (И.Данилов), AVP - Anti Viral Toolkit PRO (Е.Касперский) и Norton AntiVirus (Semantec). Антивирусные программы работают на разных наборах вирусов, и дублирования проверки не происходит, поэтому для надежности используют их совместно.
Архиваторы используются для создания копии файлов меньшего размера и объединения копии нескольких файлов в один архивный файл. Они за счет применения специальных методов сжатия информации создают архивные файлы. Среди большого числа известных программ-архиваторов в настоящее время наиболее часто используется ARJ (Robert Jung), WinRar (Eugene Roshal), LH (Haruyasi Yoshizaki) и др. Они отличаются друг от друга степенью сжатия информации, скоростью работы и методами упаковки.
Системы искусственного интеллекта
Под системами, обладающими искусственным интеллектом (ИИ), понимают устройства или программы, имеющие такие характеристики, присущие человеческому интеллектуальному поведению, как понимание и использование естественного языка, причинная обусловленность поведения, способность к решению проблем, способность гибко реагировать на ситуацию, использовать преимущество благоприятных ситуаций, находить решения в неоднозначных или противоречивых ситуациях, распознавать относительную важность различных элементов ситуации, находить сходство между ними, выводить новые идеи, заключения и т.д.
Вместе с тем, однозначного определения интеллектуальности поведения компьютерных систем пока не существует, и разграничение интеллектуального и неинтеллектуального поведения весьма условно. Программные системы, основанные на естественно - научных теориях о природных процессах и математических методах, не относят к интеллектуальным. Часто задачи, решаемые такими системами, и алгоритмы их реализации называют рутинными. Программные системы, реализующие алгоритмы, для которых не существует формальной модели решения, называют эвристическими и относят к классу интеллектуальных систем (или систем искусственного интеллекта).
Разница между интеллектуальными и неинтеллектуальными задачами отражается на методах и способах представления знаний в различных системах.
«Жесткое знание» - это такое знание, которое может быть выражено в виде строгих математических моделей и категорий естественно - научных теорий. «Мягкое знание», в отличие от «жесткого», представляет собой не одно решение, а спектр решений, между которыми приходится делать выбор, причем правила и критерии подобного выбора жестко не определены. Таким образом, «мягкое знание», носит явно выраженный личностный характер, часто определяемый такими понятиями, как опыт, интуиция, традиции и тому подобное.
Задачи искусственного интеллекта - это такие задачи, в которых формализуется не процесс решения, а процесс поиска решения. Таким образом, можно говорить о том, что традиционные компьютерные системы оперируют с «жестким знанием», которое может быть выражено алгоритмически, а системы ИИ - с «мягким». С появлением мощных персональных компьютеров резко активизировались исследование и разработка программных и технических средств, предназначенных для представления, накопления и использования знаний в компьютерных системах. В связи с этим развиваются такие направления, как экспертные системы, базы знаний, нейронные сети, нейрокомпьютеры.
Тема 2. Арифметические и логические основы информатики
Под системой счисления понимается способ представления любого числа с помощью некоторого алфавита символов, называемых цифрами.
Все системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.
Непозиционными системами являются такие системы счисления, в которых каждый символ сохраняет свое значение независимо от места его положения в числе. Примером непозиционной системы является римская система. К недостаткам таких систем относят наличие большого количества знаков и сложность выполнения арифметических операций. Система счисления называется позиционной, если одна и также цифра имеет различное значение, определяющиеся позицией цифры в последовательности цифр, изображающей число. Это значение меняется в однозначной зависимости от позиции, занимаемой цифрой, по некоторому закону. Примером позиционной системы счисления является десятичная система, используемая в повседневной жизни. Количество p различных цифр, употребляемых в позиционной системе, определяет название системы счисления и называется основанием системы счисления - «р».
В десятичной системе используются десять цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9; эта система имеет основанием число десять.
Любое число N в позиционной системе счисления с основанием р может быть представлена в виде полинома от основания р:
N=ак*рк+ ак-1*рк-1+…+ а1*р1+ а0*р0+ а-1*р-1+ а-2*р-2+…. (1.1)
здесь N - число, а - коэффициенты (цифры числа), р - основание системы счисления (р>1).
Принято представлять числа в виде последовательности цифр:
N=ак*ак-1…а1а0*а-1а-2….
В этой последовательности точка отделяет целую часть числа от дробной (коэффициенты при положительных степенях, включая нуль, от коэффициентов при отрицательных степенях). Точка опускается, если нет отрицательных степеней (число целое).
В ЭВМ применяют позиционные системы счисления с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную.
В аппаратной основе ЭВМ лежат двухпозиционные элементы, которые находятся только в двух состояниях; одно из них обозначается 0, а другое - 1. Поэтому основной системой счисления применяемой в ЭВМ является двоичная система.
Двоичная система счисления. Используются две цифры: 0 и 1. В двоичной системе любое число может быть представлено в виде:
Х=bМ bМ-1… b1 b0* b-1 bМ-2… ,
где bj либо 0, либо 1.
Эта запись соответствует сумме степеней числа 2, взятых с указанными коэффициентами:
Х=bМ*2М+ bМ-1*2М-1+…+ b1*21+ b0*20+ b-1*2-1+ b-2*2-2+….
Восьмеричная система счисления. Используется восемь цифр: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7. Употребляется в ЭВМ как вспомогательная для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры восьмеричной системы используется три двоичных разряда (триада) (таблица 2.1).
Шестнадцатеричная система счисления. Для изображения чисел употребляются 16 цифр. Первые десять цифр этой системы обозначаются цифрами от 0 до 9, а старшие шесть цифр - латинскими буквами: 10-А, 11-В, 12-С, 13-D, 14-Е, 15-F. Шестнадцатеричная система используется для записи информации в сокращенном виде. Для представления одной цифры шестнадцатеричной системы счисления используются четыре двоичных разряда (тетрада) (таблица 1).
Таблица 1. Наиболее важные системы счисления.
|
Двоичная (ос-ие 2) |
Восьмеричная (основание 8) |
Десятичная (основание 10) |
Шестнадцатеричная (осн-ие 2) |
|||
|
0 |
0 |
Триады |
0 |
0 |
Тетрады |
|
|
000 |
0000 |
|||||
|
1 |
1 |
001 |
1 |
1 |
0001 |
|
|
2 |
010 |
2 |
2 |
0010 |
||
|
3 |
011 |
3 |
3 |
0011 |
||
|
4 |
100 |
4 |
4 |
0100 |
||
|
5 |
101 |
5 |
5 |
0101 |
||
|
6 |
110 |
6 |
6 |
0110 |
||
|
7 |
111 |
7 |
7 |
0111 |
||
|
8 |
8 |
1000 |
||||
|
9 |
9 |
1001 |
||||
|
А |
1010 |
|||||
|
В |
1011 |
|||||
|
С |
1100 |
|||||
|
D |
1101 |
|||||
|
E |
1110 |
|||||
|
F |
1111 |
Перевод чисел в десятичную систему осуществляется путем составления степенного ряда с основанием той системы, из которой число переводится. Затем подсчитывается значение суммы.
Пример:
Перевести 10101101.1012 «10» с.с.
10101101.1012=1*27+0*26+1*25+0*24+1*23+1*22+0*21+1*20+1*2-1+0*2-2+ 1*2-3=173.62510
Перевести 703.048 «10» с.с.
703.048=7*82+0*81+3*80+0*8-1+4*8-2=451.062510
Перевести В2Е.416 «10» с.с.
В2Е.416=11*162+2*161+14*160+4*16-1=2862.2510
Перевод целых десятичных чисел в восьмеричную и двоичную системы осуществляется последовательным делением десятичного числа на основание той системы, в которую оно переводится, до тех пор, пока не получится частное меньшее этого основания. Число в новой системе записывается в виде остатков деления, начиная с последнего.
Пример
Перевести 18110 «8» с.с.
Результат 18110=2658.
Перевести 62210 «16» с.с.
Результат 62210=26Е16.
Перевод правильных дробей из десятичной системы счисления в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную системы счисления.
Для перевода десятичной дроби в другую систему эту дробь надо последовательно умножать на основание той системы, в которую она перводится, при этом умножаются только дробные части. Дробь в новой системе записывается в виде целых частей произведений, начиная с первого.
Пример.
Перевести 0.312510 «8» с.с.
Замечание. Конечной десятичной дроби в другой системе счисления может соответствовать бесконечная (иногда периодическая) дробь. В этом случае количество знаков в представлении дроби в новой системе берется в зависимости от требуемой точности.
Пример.
Перевести 0.6510 «2» с.с. Точность 6 знаков.
Ответ: 0,1010012.
Для перевода неправильной десятичной дроби в систему счисления с недесятичным основанием необходимо отдельно перевести целую часть и отдельно дробную.
Пример. Перевести 23.12510 «2» с.с.
Таким образом: 2310=101112; 0.12510=0.0012.
Результат: 23.12510=10111.0012.
Необходимо отметить, что целые числа остаются целыми, а правильные дроби - дробями в любой системе счисления.
Для перевода восьмеричного или шестнадцатеричного числа в двоичную форму достаточно заменить каждую цифру этого числа соответствующим трехразрядным двоичным числом (триадой) (таблица 1), при этом отбрасывают ненужные нули в старших и младших разрядах.
Пример.
Задание
236.45688;
4568.12568;
8АВF.52Е16;
25Е2.56С16;
4569F.76Е16;
145АС.5В16;
125.4258;
985.1468;
2В12.48В16;
5987.23668.
Для перехода от двоичной к восьмеричной или шестнадцатеричной системе поступают следующим образом: двигаясь от точки в левои вправо, разбивают двоичное число на группы по три (четыре) разряда, дополняя при необходимости нулями крайние левую и правую группы. Затем триаду (тетраду) заменяют соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.
Пример.
Перевести 1101111001.11012 «8» с.с.
Перевести 11111111011.1001112 «16» с.с.
Перевод из восьмеричной в шестнадцатеричную систему и обратно осуществляется через двоичную систему с помощью триад и тетрад.
Пример. Перевести 175.248 «16» с.с.
Двоичная арифметика.
Правила выполнения арифметических действий над двоичными числами задаются таблицами двоичных сложения, вычитания и умножения (таблица 2).
Таблица 2.
|
Таблица двоичного сложения |
Таблица двоичного вычитания |
Таблица двоичного умножения |
|
|
0+0=0 |
0-0=0 |
00=0 |
|
|
0+1=1 |
1-0=0 |
01=0 |
|
|
1+0=1 |
1-1=0 |
10=0 |
|
|
1+1=10 |
10-1=1 |
11=1 |
При сложении двоичных чисел в каждом разряде производится сложение цифр слагаемых и переноса из соседнего младшего разряда если он имеется. При этом необходимо учитывать, что 1+1 дают нуль в данном разряде и единицу переноса в следующий.
Пример. Выполнить сложение двоичных чисел:
Х=1101, У=101;
Х=1101, У=101, К=111;
При вычитании двоичных чисел в данном разряде при необходимости занимается из старшего разряда. Эта занимаемая 1 равна двум 1 данного разряда.
Пример. Заданы двоичные числа Х=10010 и У=101. Вычисть Х-У.
Умножение двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных с помощью таблиц двоичного умножения и сложения.
Пример. 1001101=?
Деление двоичных чисел производится по тем же правилам, что и для десятичных. При этом используются таблицы двоичного умножения и вычитания.
2. Алгебра логики. Логические связи, значения, высказывания. Логические операции. Логические схемы и логические машины
Алгебру логики называют булевой алгеброй в честь выдающегося английского математика XIX в. Джорджа Буля, который разработал ее основы.
Алгебра логики оперирует с переменными, которые могут принимать всего два значения - логическую истину (логическая 1) и логическую ложь (логический 0). Аналогично компьютер, используя лишь логические сигналы 0 и 1, воспринимает их как двоичные числа или логические переменные.
В логической алгебре существуют всего три базовых логических операции:
? логическое отрицание (логическая операция НЕ, или инверсия),
? логическое умножение (логическая операция И),
? логическое сложение (логическая операция ИЛИ).
Логическое отрицание (инверсия)
Логическое отрицание - одна из базовых операций в алгебре логики.
Присоединение частицы НЕ к сказуемому данного высказывания А называется инверсией или отрицанием А, при этом логическое отрицание (инверсия)обратно по значению истинности исходному.
Инверсия обычно обозначается чертой над выражением (читается "не А").
Если высказывание А истинно, то его отрицание ложно, и наоборот. Инверсии соответствует следующая таблица истинности:
Логические функции образуются от логических переменных (аргументов) с помощью логических операций. В алгебре логики все логические функции могут быть выражены путем логических преобразований через три базовые операции.
Логическое умножение (конъюнкция)
Логическое умножение - одна из трех базовых операций логической алгебры.
Соединение двух (или нескольких) высказываний союзом И называетсяконъюнкцией или логическим умножением. Логическое умножение схоже с союзом И в естественном языке, если он употребляется в смысле «и то, и это». Операцию логического умножения часто называют операциейЛОГИЧЕСКОГО И.
Высказывание А * В истинно (равно 1) тогда, когда равны 1 (истинны) обе переменных.
0 * 0 = 00 * 1 = 01 * 0 = 01 * 1 = 1 |
Конъюнкция обозначается символом , знаком умножения ( * ) или знаком амперсанд &.
Правила логического умножения двух высказываний можно свести в следующую таблицу:
|
A |
B |
A * B |
|
|
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
Такая таблица называется таблицей истинности для конъюнкции. Таблица истинности показывает, какие значения дает логическая операция при всех возможных наборах ее аргументов.
Конъюнкция n переменных истинна тогда и только тогда, когда все составляющие ее переменные истинны.
Логическое сложение (дизъюнкция)
Логическое сложение - одна из трех базовых операций логической алгебры.
Соединение двух (или нескольких) высказываний союзом ИЛИ называетсядизъюнкцией или логическим сложением. Логическое сложение схоже с союзом ИЛИ в естественном языке, если он употребляется в смысле «или то, или это, или оба сразу». Операцию логического сложения часто называют операцией ЛОГИЧЕСКОГО ИЛИ.
Высказывание А+В истинно (равно 1) тогда, когда истинно хотя бы одно из входящих в него высказываний А или В, и ложно только тогда, когда ложны оба слагаемых (равны 0).
0 + 0 = 00 + 1 = 11 + 0 = 11 + 1 = 1 |
Следует обратить внимание на то, что при сложении двух логических единиц получается логическая единица. Алгебра логики оперирует только двумя значениями - ложью (логический 0) и истиной (логическая 1). Истина не может быть двойной или истиной в квадрате, поэтому при сложении двух истин мы получаем просто истину. Точно также при сложении двух логических сигналов высокого уровня мы получаем логический сигнал высокого уровня.
Дизъюнкция обозначается символом v или знаком сложения ( + ).
Правила логического сложения двух высказываний можно свести в следующую таблицу:
|
A |
B |
A + B |
|
|
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
1 |
Такая таблица называется таблицей истинности для дизъюнкции.
Нетрудно увидеть, что первые три строки таблицы соответствуют правилам сложения двоичных чисел в одном разряде без учета и образования переноса.
Дизъюнкция n переменных ложна тогда и только тогда, когда все составляющие ее переменные ложны.
В логических схемах BEAM-роботов логическое ИЛИ используется для согласования двух логических сигналов.
Тема 3. Алгоритмические основы информатики
Понятие алгоритма широко используется как в математике, так и в программировании. Для решения задачи на компьютере, необходимо метод ее решения выразить в виде определенной последовательности операций.
Алгоритм - это совокупность четко определенных правил для решения задачи за конечное число шагов вычислительного процесса.
Алгоритмический язык - это система обозначений и правил для точной записи алгоритма и их исполнение.
Общий вид алгоритма:
алгоритм название алгоритма
начало
серия простых команд алгоритма
конец
Правильно разработанный алгоритм должен обладать следующими свойствами:
а) определенность;
б) дискретность;
в) массовость;
г) результативность.
Алгоритм задается в той форме, которая наиболее понятна. К основным способом задания алгоритма можно отнести естественный, искусственный и графический. Чтобы алгоритм стал более понятным, эти способы в одном алгоритме могут использоваться совместно, дополняя друг друга. Чаще всего в программировании за основу принимается графический способ задания алгоритма, который дополняется словесным описанием.
Естественное (словесное) задание позволяет алгоритм задавать с помощью слов и предложений.
Искусственное (операторное) задание представляет собой изображение алгоритма в виде последовательности символов-операторов, каждый из которых выполняет определенную функцию.
Типы алгоритмов. Алгоритмы независимо от способа задания бывают трех типов. По характеру связей между выполняемые операциями различают линейные, разветвляющие и циклические алгоритмы.
Наиболее простыми по своей структуре являются алгоритмы, в которых все операции выполняются последовательно в порядке их расположения. Такой алгоритм с последовательным порядком расположения блоков называется линейным.
Решение ряда практических задач не ограничивается линейным алгоритмом. Часто в зависимости от значений промежуточных результатов необходимо организовать вычисление либо по одним, либо по другим формулам, т.е. в зависимости от выполнение некоторого логического условия выполняется одна из ветвей алгоритма. Алгоритм такого вычислительного процесса называется разветвляющимся алгоритмом.
Часто при решении некоторых задач возникает необходимость многократного повторения однотипных действий при различных значениях параметров, определяющих эти действия. Такие многократно повторяемые участки называются циклами. Использование циклов позволяет выполнять большие объемы вычислений при помощи компактных программ.
1. Алгоритмические структуры
Графический способ задание алгоритма в виде блок-схем является наиболее наглядным способом представления алгоритмов. Алгоритм при этом изображается в виде последовательности блоков.
Внутри блоков помещается информация, поясняющая выполняемые ими действия.
|
Название блока |
Обозначение (ГОСТ 19.002-80) |
Выполняемая функция |
|
|
Пуск, останов. |
Начало, конец, останов, вход и выход в отдельно описанных алгоритмах и подпрограммах |
||
|
Ввод - вывод |
Ввод или вывод данных |
||
|
Процесс |
Вычислительное действие или последовательность действий |
||
|
Решение |
Проверка условия и выбор направления хода вычислительного процесса |
||
|
Модификация |
Начало цикла |
||
|
Предопределенный процесс |
Использование ранее созданных и отдельно описанных алгоритмов |
||
|
Документ |
Вывод данных на печатающее устройство |
||
|
Соединитель |
Указание связи между прерванными линиями потока |
||
|
Комментарий |
[ ] |
Пояснения, содержание подпрограмм, формулы |
Алгоритмы можно представлять как некоторые структуры, состоящие из отдельных базовых (т.е. основных) элементов. Естественно, что при таком подходе к алгоритмам изучение основных принципов их конструирования должно начинаться с изучения этих базовых элементов. Для их описания будем использовать язык схем алгоритмов и школьный алгоритмический язык.
Логическая структура любого алгоритма может быть представлена комбинацией трех базовых структур: следование, ветвление, цикл.
Характерной особенностью базовых структур является наличие в них одного входа и одного выхода.
1. Базовая структура "следование". Образуется последовательностью действий, следующих одно за другим:
|
Школьный алгоритмический язык |
Язык блок-схем |
|
|
действие 1 действие 2 . . . . . . . . . действие n |
2. Базовая структура "ветвление". Обеспечивает в зависимости от результата проверки условия (да или нет) выбор одного из альтернативных путей работы алгоритма. Каждый из путей ведет к общему выходу, так что работа алгоритма будет продолжаться независимо от того, какой путь будет выбран. Структура ветвление существует в четырех основных вариантах:
· если--то;
· если--то--иначе;
· выбор;
· выбор--иначе.
·
|
Школьный алгоритмический язык |
Язык блок-схем |
|
|
1. если--то |
||
|
если условие то действия все |
||
|
2. если--то--иначе |
||
|
если условие то действия 1 иначе действия 2 все |
||
|
3. выбор |
||
|
выбор при условие 1: действия 1 при условие 2: действия 2 . . . . . . . . . . . . при условие N: действия N все |
||
|
4. выбор--иначе |
||
|
выбор при условие 1: действия 1 при условие 2: действия 2 . . . . . . . . . . . . при условие N: действия N иначе действия N+1 все |
Примеры структуры ветвление
|
Школьный алгоритмический язык |
Язык блок-схем |
|
|
если x > 0 то y := sin(x) все |
||
|
если a > b то a := 2*a; b := 1 иначе b := 2*b все |
||
|
выбор при n = 1: y := sin(x) при n = 2: y := cos(x) при n = 3: y := 0 все |
||
|
выбор при a > 5: i := i+1 при a = 0: j := j+1 иначе i := 10; j:=0 все |
3. Базовая структура "цикл". Обеспечивает многократное выполнение некоторой совокупности действий, которая называетсятелом цикла. Основные разновидности циклов представлены в таблице:
|
Школьный алгоритмический язык |
Язык блок-схем |
|
|
Цикл типа пока. Предписывает выполнять тело цикла до тех пор, пока выполняется условие, записанное после слова пока. |
||
|
нц пока условие тело цикла (последовательность действий) кц |
||
|
Цикл типа для. Предписывает выполнять тело цикла для всех значений некоторой переменной (параметра цикла) в заданном диапазоне. |
||
|
нц для i от i1 до i2 тело цикла (последовательность действий) кц |
Примеры структуры цикл
|
Школьный алгоритмический язык |
Язык блок-схем |
|
|
нц пока i <= 5 S := S+A[i] i := i+1 кц |
||
|
нц для i от 1 до 5 X[i] := i*i*i Y[i] := X[i]/2 кц |
Тема 4. Основы компьютерной графики
Растровая графика
Графическая информация может быть представлена дискретно. Для этого изображение разбивают на отдельные маленькие фрагменты (пиксели), затем каждому пикселю присваивается код цвета (считаем, что весь пиксель целиком одноцветный, а изображение в целом - мозаика мелких цветных точек). Этот процесс называют пространственной дискретизацией изображения.
Векторная графика.
Отметим также, что рассмотренный выше способ представления изображений не единственный. Можно представить изображение совокупностью простых геометрических фигур (прямых линий, окружностей, эллипсов, дуг, прямоугольников и т.д.) - графических примитивови записать информацию о координатах и параметрах каждого их них. При этом координатная сетка должна совпадать с сеткой пикселей на экране. Такой способ представления изображений называют векторной графикой. На рисунке показаны примеры графических примитивов:
Такой способ представления изображения дает возможность получить файл малого размера. Качество изображения не изменяется с изменением размера рисунка, но даже профессиональные векторные графические редакторы не могут обеспечить качество графики, сравнимое с растровыми изображениями.
Точка
М (x,y)
Линия
y=kx+b
Отрезок прямой
a(M;P)
Кривая второго порядка
x2+a1y2+a2xy+a3x+a4y+a5=0
Кривая третьего порядка
x3+a1y3+a2x2y+a3xy2+a4x2+a5y2+a6xy+a7x+a8y+a9=0
Кривая Безье
упрощенный вид кривой третьего порядка описываемый всего восемью переменными.
Тема 5. Техническая база информационной технологии. Архитектура персонального компьютера
1. Основные внешние (периферийные) устройства ПК
Еще при создании первых компьютеров в 1945 г. знаменитый голландский математик Джон фон Нейман описал, как должен быть устроен компьютер, чтобы он был универсальным устройством для обработки информации. Эти основы конструкции компьютера называются принципами фон Неймана. Сейчас подавляющее большинство компьютеров в основных чертах соответствует принципам фон Неймана.
Рис 1. Классическая архитектура фон Неймана.
По принципу фон Неймана, компьютер, должен иметь следующие устройства:
§ АЛУ - арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические операции;
§ УУ - устройство управления, которое организует процесс
выполнения программ;
§ ОП - оперативная память для хранения программ и данных;
§ УВВ - устройство для ввода и вывода информации.
Корпорация IBM (International Business Machines Corp) разработал IBM PC (Personal Computer) в 1981 г. Важнейшую роль в развитии IBM PC компьютеров сыграл принцип открытой архитектуры и метод расширения.
Принцип открытой архитектуры (open architecture) - это сборка компьютера из независимо изготовленных частей и доступность способов их соединение всем желающим.
Метод расширения (upgrade - расширить, обновить) - это возможность заменять отдельные, старые компоненты на новые, без замены остальных комплектующих и устройств компьютера.
Разные модификации компьютеров IBM PC различаются между собой, прежде всего типом микропроцессора.
Микропроцессор (CPU - Central Processing Unit) - эта интегральная микросхема, которая выполняет вычисления и обработку информации.
Микропроцессор умеет выполнять несколько сотен миллионов операций в секунду. В свою очередь микропроцессоры различаются между собой разрядностью и тактовой частотой.
Разрядность - это количество битов, которое воспринимается микропроцессором как единое целое (4,8,16,32,64 - целая степень числа 2). От разрядности зависит производительность компьютера.
Тактовая частота - это импульсы специального генератора, которые служат метками времени для синхронизации работы компонентов компьютера.
Одинаковые модели микропроцессоров могут иметь разную тактовую частоту, чем выше тактовая частота, тем выше производительность. Тактовая частота измеряется в Мегагерцах (MHz) и Гигагерцах (GHz).
Например: микропроцессоры Intel Pentium выпускаются с тактовой частотой от 75 MHz до 2,5 GHz.
Жесткий диск (hard disk) предназначен для постоянного хранения информации, используемого при работе с компьютером. Основная характеристика жесткого диска (иногда называют винчестером) - это его емкость, то есть количество информации, размещаемой на диске. Компьютеры IBM PC часто имеют диски с емкостью от 120 Mb до 40 Gb.
Дискета (floppy disk) позволяет перенести файлов с одного компьютера на другой. Практически все компьютеры имеют хотя бы один дисковод для дискет. Наиболее распространены дискеты с размером 3,5 дюйма (89 мм), которые имеют емкость до 1,44 Мb.
Накопитель для компакт-диска (CD-ROM) предназначен только для чтения содержащейся на компакт-диске информации емкостью до 650 Мбайт.
Клавиатура (keyboard) -предназначена для ввода информации и управления работой компьютера.
Дисплей (display) предназначен для вывода на экран текстовой и графической информации.
К системному блоку компьютера IBM РС можно подключать различные устройства ввода-вывода информации, расширяя тем самым его функциональные возможности.
Такими устройствами являются:
§ принтер (printer) - предназначен для вывода текстовой и графической информации на бумагу;
§ модем (modem) - для обмена информацией с другими компьютерами через телефонную сеть;
§ сканер (scanner) - предназначен для ввода текстовой и графической информации с бумаги;
§ плоттер (plotter) - устройство вывода рисунка‚ фото и графика на бумагу;
§ стример (strimmer) - устройство для хранения данных на магнитной ленте;
UPS -устройство бесперебойного электропитания;
2. Информационно-логические основы построения. Организация систем адресации и команд
Системная память. Обычно под системной понимают лишь оперативную память. На самом деле работоспособность всей компьютерной системы зависит от характеристик подсистемы памяти в целом. Подсистема памяти охватывает:
оперативную память как таковую;
кэш-память первого уровня, расположенную в ядре МП;
кэш-память второго уровня (в некоторых конфигурациях она выступает как кэш третьего уровня), размещаемую на СП, на картридже МП или в его ядре;
контроллер памяти;
шины данных и команд, объединяющие все элементы подсистемы в единое целое.
Системная память подразделяется на два типа -- с динамической и статической выборкой. В первом случае значение бита информации в ячейке определяется наличием или отсутствием заряда на миниатюрном конденсаторе, управляемом одним--двумя транзисторами. В статической памяти применены специальные элементы -- триггеры, реализованные на 4-6 транзисторах. Естественно, что из-за необходимости ожидания накопления (стекания) заряда на конденсаторе быстродействие DRAM ниже. Однако благодаря большему числу транзисторов на ячейку, память SRAM существенно дороже. Обычно модули DRAМ применяют в оперативной и видеопамяти, а модули SRAМ -- в качестве быстрых буферных элементов в процессорах, на СП, в контроллерах дисков, CD-RОМ и пр.
Статическая память. Ячейкой в статической памяти является триггер -- логический элемент с двумя устойчивыми достояниями, в любом из которых он сохраняется до тех пор, пока подается питание. Время срабатывания триггера составляет в современных микросхемах единицы наносекунд. Однако плотность компоновки ячеек SRAM существенно ниже, чем в микросхемах DRAM, а стоимость производства выше, поэтому статическая память применяется лишь в наиболее ответственных компонентах.
В современных системах обычно используется конвейерный режим с пакетным способом передачи данных (Pipelined Burst Cache), организованный на микросхемах статической памяти с синхронным доступом.
Асинхронная динамическая память (DRAM). Асинхронный интерфейс работы динамической памяти предусматривает наличие отдельного устройства в контроллере памяти для генерации управляющих сигналов. Для операций чтения/записи определяется продолжительность, зависящая от технологии изготовления микросхемы, ширины шины данных, наличия буфера и других параметров. Каждый цикл операции чтения и записи ячеек памяти может иметь продолжительность, отличную от других циклов. Никакая последующая операция не может начаться до сигнала об окончании предыдущей. Для генерации необходимых импульсов контроллер асинхронной памяти имеет делитель, вырабатывающий сигналы необходимой частоты для каждой операции внутри цикла.
Синхронная динамическая память (SDRAM). В этом случае все команды и обмен данными по шине памяти проходят синхронно с тактовыми импульсами системной шины, поэтому все циклы одной операции имеют одинаковую продолжительность.
Ячейки в динамической памяти образуют матрицу, состоящую из строк и столбцов. При считывании данных содержимое одной строки целиком переносится в буфер, реализованный на элементах статической памяти. После этого из строки считывается значение (0 или 1) нужной ячейки, и содержимое буфера вновь записывается в прежнюю строку динамической памяти. Такие переносы данных осуществляются путем изменения состояния конденсаторов ячеек, то есть происходит процесс заряда (разряда, если конденсатор был заряжен). Так как конденсаторы чрезвычайно малы, высока вероятность непроизвольного изменения их состояния из-за паразитных утечек и наводок.
Для исключения утраты данных проводятся циклы регенерации с определенной частотой, которые обычно инициализируются специализированными микросхемами. За один такт микропроцессора память может регенерироваться несколько раз.
...Подобные документы
Компьютерная графика. Ее виды: растровая и векторная. Способы постройки графических объектов. Сущность понятия "графический объект". Программы векторной графики: Corel Draw, Adobe Illustrator, Micrografx Designer, Macromedia FreeHand, Corel Xara.
реферат [92,5 K], добавлен 28.06.2008Компьютерная растровая и векторная графика. Графические редакторы. Форматы файлов для хранения растровых графических изображений. Особенности защиты информации в современных условиях. Идентификация и подлинность доступа в систему. Механизмы защиты.
реферат [31,4 K], добавлен 26.01.2009Компьютерная графика как область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений на компьютере. Области применения компьютерной графики. Двумерная графика: фрактальная, растровая и векторная. Особенности трёхмерной графики.
реферат [756,4 K], добавлен 05.12.2010Компьютерная графика - область информатики, занимающаяся проблемами получения различных изображений. Виды компьютерной графики: растровая, векторная, фрактальная. Программы для создания компьютерной анимации, область применения, форматы хранения.
реферат [29,1 K], добавлен 16.03.2010Виды компьютерной графики: растровая, векторная, фрактальная и трёхмерная. Основные понятия компьютерной графики. Кодирование аудиоинформации, основные аудио форматы. Смешение сигналов и видео форматы. Разработка программы построения фракталов.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 14.01.2015Появление и развитие информатики. Ее структура и технические средства. Предмет и основные задачи информатики как науки. Определение информации и ее важнейшие свойства. Понятие информационной технологии. Основные этапы работы информационной системы.
реферат [127,4 K], добавлен 27.03.2010Компьютерная графика как наука, предметом изучения которой является создание, хранение и обработка моделей и их изображений с помощью ЭВМ. Области применения графических редакторов: Adobe Photoshop и Illustrator, Corel Draw. Растровая и векторная графика.
презентация [31,7 M], добавлен 17.01.2012Средства и способы создания и обработки графических изображений при помощи компьютерной техники. Растровая, векторная, трёхмерная и фрактальная графика, отличия принципов формирования изображения при отображении на экране монитора. Програмные средства.
реферат [436,4 K], добавлен 26.03.2010Понятие, содержание, объект, предмет информатики. Основные виды и способы обработки и кодирования данных. Информация, информационные процессы и системы как объект правового регулирования общественных отношений. Архитектура, программное обеспечение ПЭВМ.
курс лекций [6,5 M], добавлен 20.06.2009Виды и способы представления компьютерной информации в графическом виде. Отличительные особенности растровой и векторной графики. Масштабирование и сжатие изображений. Форматы графических файлов. Основные понятия трехмерной графики. Цветовые модели.
контрольная работа [343,5 K], добавлен 11.11.2010Основные понятия и определения информатики. Программные средства реализации информационных процессов. Кодирование текстовых и графических данных. Типовые структуры локальных сетей ЭВМ и основные принципы их построения. Модели взаимодействия в сети.
курс лекций [272,0 K], добавлен 19.12.2010Основные определения и понятия информатики. Вычислительная техника, история и этапы ее развития. Методы классификации компьютеров, их типы и функции. Разновидности системного и прикладного программного обеспечения. Представление информации в ЭВМ.
учебное пособие [35,3 K], добавлен 12.04.2012Растровая графика, составление графических изображений из отдельных точек (пикселей). Растровые графические редакторы. Векторная графика - построение изображения из простых объектов. Достоинства, недостатки и применение растровой и векторной графики.
презентация [7,8 K], добавлен 06.01.2014Компьютерная графика как раздел информационных технологий, в котором изучают вопросы получения графических изображений с помощью компьютера. Ее классификация и типы, сравнительная характеристика, признаки: растровая, векторная, фрактальная и трехмерная.
презентация [2,0 M], добавлен 04.04.2016Представление графических данных. Растровая, векторная и фрактальная виды компьютерной графики. Цвет и цветовые модели: метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения на экране монитора. Основные программы для обработки растровой графики.
реферат [429,7 K], добавлен 01.08.2010Краткая история появления и развития информатики как науки. Понятие и основные свойства информации, формы ее адекватности. Структурная организация персональных компьютеров. Основные понятия электронных таблиц Microsoft Excel. Операционная система Windows.
лекция [820,6 K], добавлен 22.09.2013Определение компьютерной графики, задачи, виды, области применения. Способы распознавания образов, системы технического зрения. Инструменты для синтеза изображений и обработки визуальной информации. Представление цветов, форматы графических файлов.
шпаргалка [49,9 K], добавлен 13.09.2011Растровая и векторная графика. Растровые графические редакторы. Масштабирование растрового изображения. Средства хранения высокоточных графических объектов. Изменение масштаба без потери качества и практически без увеличения размеров исходного файла.
презентация [652,8 K], добавлен 11.03.2015Общие сведения о графической информации: понятие и содержание, типы графики и их особенности (растровая, векторная и демонстрационная). Обзор современных программ обработки и просмотра графических изображений: Paint, Adobe Photoshop, PowerPoint.
курсовая работа [50,4 K], добавлен 20.12.2013Векторная и растровая графика: основные отличия, преимущества и недостатки. Компьютерные программы, используемые для создания растровой и векторной графики. Трехмерная графика, цветовое пространство и графический формат. Основные цветовые модели.
реферат [37,0 K], добавлен 20.12.2010
