Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• I. Понятие информации. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации
• Литература
• 1.1 Основные понятия информатики
• 1.2 Информация. Информационные процессы
• 1.3 Свойства и виды информации
• 1.4 Измерение информации
• 1.5 Системы счисления
• 1.6 Логические основы ЭВМ
• Вопросы для подготовки к контрольной работе по теме «Информация»
• II. Технические средства реализации информационных процессов
• 2.1 История развития вычислительной техники
• 2.2 Архитектура ЭВМ
• 2.3 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера
• 2.4 Устройства ввода/вывода данных, их разновидности и основные характеристики
• Вопросы для подготовки к контрольной работе по теме
• «Технические средства реализации информационных процессов»
• III. Модели решения функциональных и вычислительных задач
• IV. Алгоритмизация
• 4.1 Алгоритм и исполнитель
• 4.2 Свойства алгоритмов
• 4.3 Формы представления алгоритмов
• 4.4 Основные типы алгоритмов
• V. Программирование
• 5.1 Общие понятия программирования
• 5.2 Трансляторы
• 5.3 Языки программирования
• 5.4 Типы программирования
• 5.5 Программирование как вид деятельности
• Вопросы для подготовки к контрольной работе по темам «Модели решения задач», «Алгоритмизация», «Программирование»
• VI. Базы данных
• 6.1 Базы данных (БД), системы управления базами данных (СУБД)
• 6.2 Реляционные базы данных
• VIIПрограммное обеспечение ЭВМ
• 7.1 Основные понятия. Программный продук
• 7.2 Общая классификация программного обеспечения ЭВМ
• 7.3 Системное программное обеспечение
• 7.4 Инструментарий технологии программирования
• 7.5 Прикладное программное обеспечение
• VIII. Компьютерные сети
• 8.1. Введение в компьютерные сети
• 8.2 Структура компьютерной сети
• 8.3 Классификация компьютерных сетей
• 8.4 Адресация в КС
• IX. Основы защиты информации
• 9.1 Цели и направления защиты информации
• 9.2 Система безопасности информации
• 9.3 Основные методы защиты информации

I. Понятие информации. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации

Литература

1. Информатика [Текст]. / Под ред. Н. В. Макаровой. М., "Финансы и статистика", 2005.

2. Могилев, А. В. Информатика [Текст]: Учеб.пособие для вузов / А. В. Могилев, Н. И. Пак, Е. К. Хеннер. Под ред. Е. К. Хеннера. - М.: Академия, 2001.

3. Симонович, С. В. Информатика для юристов и экономистов [Текст]: Учеб.пособие для вузов / C. В Симонович [и др] . - СПб.: Питер, 2001.

4. Степанов, А. Н. Информатика. 3-е изд. [Текст]: Учебник для вузов / А. Н. Степанов - СПб.: Питер, 2003.

1.1. Основные понятия информатики

Информатика - научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием информации в самых разных сферах человеческой деятельности.

Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.

В качестве источников информатики можно назвать две науки - документалистику и кибернетику.

Документалистика сформировалась в конце 19 века в связи с бурным развитием производственных отношений. Ее расцвет пришелся на 20-30 годы 20 века, а основным предметом стало изучение рациональных средств и методов повышения эффективности документооборота.

После второй мировой войны возникла и начала бурно развиваться кибернетика.

Кибернетика - это наука об общих принципах управления в живых и искусственных системах: технических, биологических, социальных и др.

Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием в 1948 году американским математиком Норбертом Винером книги «Кибернетика или управление и связь в животном и машине». В этой книге были показаны пути создания общей теории управления и заложены основы методов рассмотрения проблем управления и связи для различных систем с единой точки зрения. Сам термин «кибернетика» происходит от греческого слова kiberneticos - искусный в управлении.

Развиваясь одновременно с развитием электронно-вычислительных машин (ЭВМ), кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации.

Вслед за термином “кибернетика” в мировой науке стало использоваться англязычное - Computer science - наука о компьютерной технике.

Позднее в 70-х годах французы ввели термин informatique, образованный путем слияния information (информация) и automatique (автоматика), и обозначающий - наука об автоматической обработке информации.

Главная функция информатики - разработка методов и средств преобразования информации и их использования в организации технологического процесса переработки информации.

Задачи информатики:

· 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.

1.2 Информация. Информационные процессы

Термин “информация” происходит от латинского informatio, что означает разъяснение, осведомление, изложение

Понятие информация является одним из фундаментальных в современной науке вообще и базовым для информатики. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Однако если задаться целью формально определить понятие «информация», то сделать это будет чрезвычайно сложно. Аналогичными «неопределяемыми» понятиями, например, в математике является «точка» или «прямая». Так, можно сделать некоторые утверждения, связанные с этими математическими понятиями, но сами они не могут быть определены с помощью более элементарных понятий.

В широком смысле информация - это общенаучное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами.

Информация - сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают степень неопределенности, неполноты имеющихся о них знаний.

Одной из важнейших разновидностей информации является информация экономическая. Ее отличительная черта - связь с процессами управления коллективами людей, организацией. Экономическая информация сопровождает процессы производства, распределения, обмена и потребления материальных благ и услуг.

Экономическая информация - совокупность сведений, отражающих социально-экономические процессы и служащих для управления этими процессами и коллективами людей в производственной и непроизводственной сфере.

С понятием информация связаны такие понятия, как сообщение, сигнал, данные.

Сообщение - это информация, передаваемая в определенной форме представления.

Примерами сообщений являются музыкальное произведение; телепередача; команды регулировщика на перекрестке; текст, распечатанный на принтере; данные, полученные в результате работы составленной вами программы и т.д.

Можно привести следующую классификацию форм представления информации человеком:

· Текст на естественном языке в устной или письменной форме.

· Графическая форма: рисунки, схемы, чертежи, карты, графики, диаграммы.

· Символы формального языка: числа, математические формулы, ноты, химические формулы и пр.

Одно и то же информационное сообщение (статья в газете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертёж, радиопередача и т.п.) может содержать разное количество информации для разных людей -- в зависимости от их предшествующих знаний, от уровня понимания этого сообщения и интереса к нему.

Так, сообщение, составленное на японском языке, не несёт никакой новой информации человеку, не знающему этого языка, но может быть высокоинформативным для человека, владеющего японским. Никакой новой информации не содержит и сообщение, изложенное на знакомом языке, если его содержание непонятно или уже известно.

Информация есть характеристика не сообщения, а соотношения между сообщением и его потребителем. Без наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно.

В случаях, когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких-либо технических устройств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а тем, сколько символов это сообщение содержит.

Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодированных графических образов и звуков и т.п.), несущую смысловую нагрузку и представленную в понятном компьютеру виде. Каждый новый символ в такой последовательности символов увеличивает информационный объём сообщения.

Действия, выполняемые с информацией, называются информационными процессами.

Информационные процессы: поиск, сбор, хранение, передача, обработка, использование, защита и некоторые другие. Среди перечисленных можно выделить три основных типа информационных процессов: хранение, передача, обработка. Остальные информационные процессы в той или иной мере можно отнести к одному из трех типов.

1) Хранение информации. С процессом хранения информации связано понятие носителя.

Носитель - это среда для записи и хранения информации.

Виды носителей:

1) вещественные объекты: графитовый, чернильный или иной след на бумаге, дерево, камень, шнур - для хранения информации может использоваться либо количество объектов (щепок, камешков), либо изменение их (зарубки, срезы, узелки), бородка ключа с выемками и бороздками, соответствующими замку, оптический диск с нанесенными неровностями поверхности и т.д.;

2) волны и поля различной природы: акустические (звуковые) волны, электромагнитные волны (свет, радиоволны, низкочастотные электромагнитные колебания и др.), электростатический заряд, гравитационное поле (тяготение) и т.д.;

3) состояние вещества: температура, давление, объем (изменение объема столбика жидкости в термометре дает информацию о температуре), концентрация раствора, уровень намагниченности (участки с разной намагниченностью ферропокрытия магнитных лент и дисков), состояние нервных волокон человеческого мозга и т.д.

2) Обработка информации - это преобразование одного вида информации в другой по строгим формальным правилам.

Примеры такой обработки информации.

· Получение новой информации из исходной путем выполнения над нею математических и логических операций (вычисление дискриминанта квадратного уравнения и определение наличия его корней в результате сравнения дискриминанта с нулем).

· Представление информации в различных формах без изменения содержания (текст, записанный на разных языках или в зашифрованном виде).

· Расположение информации в определенном порядке (сортировка по алфавиту).

· Поиск информации, удовлетворяющей заданным требованиям, в большом информационном массиве (книги по заданной теме в библиотеке, номер авиарейса в нужном направлении в подходящее время).

3) Передача информация осуществляется в виде сообщений от некоторого источника информации к её приёмнику посредством канала связи между ними. Так, при передаче речевого сообщения в качестве такого канала связи можно рассматривать воздух, в котором распространяются звуковые волны, а в случае передачи письменного сообщения (например, текста, распечатанного на принтере) каналом сообщения можно считать лист бумаги, на котором напечатан текст.

Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации, в этом случае предусматривают защиту от помех.

Сигнал - способ передачи информации. Он представляет собой физический процесс, имеющий информационное значение.

Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приёмнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением.

В общем случае схема передачи информации представлена на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сигналы делятся на два типа: дискретные и аналоговые.

Аналоговый (непрерывный) сигнал - сигнал, непрерывно меняющийся во времени. Например, плавное изменение давления газа в сосуде, колебания плотности воздуха, передающие звук (звуковая волна), изменение яркости свечения нити накаливания и т.д.

Дискретный (прерывистый, цифровой) сигнал - сигнал, который может принимать конечное число значений в конечное число моментов времени. Например, положение переключателя каналов телевизора, положение семафорной стрелки, флажковый код на кораблях, азбука Морзе и т.д. В этом случае сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов, называется дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником, также называется дискретной.

Пример дискретного сообщения - процесс чтения книги, информация в которой представлена текстом, то есть дискретной последовательностью отдельных значков (букв). Примером непрерывного сообщения служит человеческая речь, передаваемая модулированной звуковой волной.

С позиции информатики ей важен факт регистрации сигналов. Результат регистрации сигналов информатика рассматривает как данные.

Таким образом, в информатике данные -- это зарегистрированные сигналы.

Данные - это информация, представленная в формализованном виде и предназначенная для обработки ее техническими средствами, например, ЭВМ.

1.3 Свойства и виды информации

Для потребителя информации очень важны следующие ее свойства:

Достаточность (полнота) информации означает, что она содержит минимальный, но достаточный для принятия правильного решения состав (набор показателей).

Доступность информации восприятию пользователя обеспечивается выполнением соответствующих процедур ее получения и преобразования. Например, в информационной системе информация преобразовывается к доступной и удобной для восприятия пользователя форме.

Актуальность информации определяется степенью сохранения ценности информации для управления в момент ее использования и зависит от динамики изменения ее характеристик и от интервала времени, прошедшего с момента возникновения данной информации.

Своевременность информации означает ее поступление не позже заранее назначенного момента времени, согласованного со временем решения поставленной задачи.

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

Достоверность информации определяется ее свойством отражать реально существующие объекты с необходимой точностью. Измеряется достоверность информации доверительной вероятностью необходимой точности, т.е. вероятностью того, что отображаемое информацией значение параметра отличается от истинного значения этого параметра в пределах необходимой точности.

Устойчивость информации отражает ее способность реагировать на изменения исходных данных без нарушения необходимой точности.

Также можно отметить такие свойства как объективность, полезность (ценность), понятность, адекватность.

Классифицировать информацию можно по разным признакам.

По способу восприятия:

1) зрительная (визуальная) - воспринимаемая с помощью глаз;

2) звуковая (аудиальная) - воспринимаемая на слух;

3) тактильная - воспринимаемая с помощью осязания, на ощупь;

4) вкусовая - восприятие вкусовых ощущений;

5) обонятельная - восприятие запахов.

По форме представления:

1) текстовая;

2) числовая ;

3) графическая;

4) звуковая.

По месту возникновения:

1) входная - информация, поступающая в фирму или ее подразделения;

2) выходная - информация, поступающая из фирмы в другую фирму, организацию (подразделение);

3) внутренняя - информация возникает внутри объекта;

4) внешняя - информация за пределами объекта.

Пример: содержание указа правительства об изменении уровня взимаемых налогов для фирмы является, с одной стороны, внешней информацией, с другой стороны - входной. Сведения фирмы в налоговую инспекцию о размере отчислений в госбюджет являются, с одной стороны, выходной информацией, с другой стороны - внешней по отношению к налоговой инспекции.

По стадии обработки:

1) первичная - информация, которая возникает непосредственно в процессе деятельности объекта и регистрируется на начальной стадии;

2) вторичная - информация, которая получается в результате обработки первичной информации и может быть промежуточной и результативной;

3) промежуточная информация используется в качестве исходных данных для последующих расчетов;

4) результативная информация получается в процессе обработки первичной и промежуточной информации и используется для выработки управленческих решений.

По стабильности:

1) переменная информация отражает фактические количественные и качественные характеристики производственно-хозяйственной деятельности фирмы; она может меняться для каждого случая как по назначению, так и по количеству, например, количество произведенной продукции за смену, еженедельные затраты на доставку сырья и т.п.;

2) постоянная (условно-постоянная) - это неизменяемая и многократно используемая в течении длительного периода времени информация. Она делиться на справочную (номер цеха, табельный номер сотрудника), нормативную (размер налога на прибыль, размер минимальной оплаты труда) и плановую (план подготовки специалистов, план выпуска продукции).

По функциям управления обычно классифицируют экономическую информацию:

1) плановая - информация о параметрах объекта управления на будущий период (план выпуска продукции, ожидаемый спрос на продукцию);

2) нормативно-справочная информация содержит нормативные и справочные данные (оклад служащего, адрес поставщика или покупателя, среднедневная оплата рабочего по разряду);

3) учетная - информация, которая характеризует деятельность фирмы за определенный прошлый период времени (количество проданной продукции за определенный период времени);

4) оперативная (текущая) - информация, используемая в оперативном управлении и характеризующая производственные процессы в текущий (данный) период времени (количество изготовленных деталей за час, смену; объем сырья от поставщика на начало рабочего дня).

1.4 Измерение информации

Определить понятие «количество информации» довольно сложно. В решении этой проблемы существуют два основных подхода. Исторически они возникли почти одновременно. В конце 40-х годов XX века один из основоположников кибернетики американский математик Клод Шеннон развил вероятностный подход к измерению количества информации, а работы по созданию ЭВМ привели к объемному подходу.

Вероятностный подход

Вероятностный подход используется в теории информации.

Пусть имеется какое-либо событие или процесс, это может быть опыт с бросанием игральной кости, вытаскивание шара определенного цвета из коробки, получение определенной оценки и т.п. Введем обозначения:

P - вероятность некоторого события

n - общее число возможных исходов данного события

k - количество событий из всех возможных, когда происходит событие

I - количество информации о событии

Тогда вероятность этого события равна P=k/n

А количество информации о нем выражается формулой:

(вспомним, что логарифм определяет степень, в которую нужно возвести основание логарифма, чтобы получить аргумент)

Пример: испытание - подбрасывание игральной кости (кубика), событие - выпадение чётного количества очков. Тогда n=6, k=3, P=3/6=1/2,

=log₂(2)=1

При рассмотрении вопроса о количестве информации I, вводят понятие неопределенности состоянии системы - энтропии системы (H). Получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением степени неосведомленности получателя о состоянии этой системы.

Энтропия системы, имеющей n возможных состояний, когда различные исходы опыта неравновероятны (например, получение положительной оценки на экзамене - вероятность получения 3, 4 или 5 разная) вычисляется по формуле:

, где P_i - вероятность i-го исхода.

Это выражение называется формулой Шеннона.

Частный случай формулы Шеннона это формула Хартли, когда события равновероятны:

То есть нужно решить показательное уравнение относительно неизвестной I: .

Важным при введении какой-либо величины является вопрос о том, что принимать за единицу ее измерения. Из формулы Хартли следует, что H=I=1 при N=2 (2¹=2). Иными словами, в качестве единицы принимается количество информации, связанное с проведением опыта, состоящего в получении одного из двух равновероятных исходов (примером такого опыта может служить бросание монеты, при котором возможны два исхода: «орел», «решка»). Такая единица количества информации называется - бит. Сообщение, уменьшающее неопределенность знаний человека в два раза, несет для него 1 бит информации.

Рассмотрим примеры на подсчет количества информации.

Пример 1. В барабане для розыгрыша лотереи находится 32 шара. Сколько информации содержит сообщение о первом выпавшем номере (например, выпал номер 15)? Поскольку вытаскивание любого из 32 шаров равновероятно, то количество информации об одном выпавшем номере находится из уравнения:

Решение. По формуле Хартли I=log₂32, следовательно, количество информации I равняется числу, в которое нужно возвести 2, чтоб получить 32 - это 5, так как 2⁵=32.

Ответ. I=5 бит.

Пример 2. В коробке имеется 50 шаров. Из них 40 белых и 10 черных. Определить количество информации в сообщении о выпадании белого шара и черного шара.

Решение. Обозначим p_ч - вероятность вытаскивания черного шара, p_б - вероятность вытаскивания белого шара. Тогда

p_ч = 10/50 = 0,2; p_б = 40/50 = 0,8.

Теперь, зная вероятности событий, можно определить количество информации в сообщении о каждом из них, используя формулу I=log₂(1/p):

Iч = log₂ (1/0,2) = log₂ 5 = 2,321928;

Iб = log₂ (1/0,8) = log₂ (1,25) = 0,321928.

Объемный подход

Объемный является самым простым способом измерения информации. Соответствующую количественную оценку информации естественно назвать объемом информации.

Объем информации в сообщении - это количество символов в сообщении. Поскольку в вычислительной технике используется двоичная система счисления, то минимальная единица информации - бит.

Алфавит, используемый для представления текстов в компьютере, включает 256 символов, информационный вес каждого из которых равен 8 бит (2⁸=256), т.е. для записи 1 символа из алфавита мощностью 256 требуется 8 двоичных разрядов. Отсюда соотношение 1 байт=8 бит.

Такое соотношение было принято не сразу: для различных вычислительных машин длина байта была различной. Но в конце 60-х годов понятие байта стало универсальным и машинно-независимым.

Более крупные единицы измерения объема данных:

1 Кбайт (килобайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт

1 Мбайт (мегабайт) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт

1 Гбайт (гигабайт) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт

1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт,

1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 2⁵⁰ байт.

Информационный объем сообщения (информационная емкость сообщения) - количество информации в сообщении, измеренное в битах, байтах или производных единицах (Кбайтах, Мбайтах и т. д.).

Пример. Книга, набранная с помощью компьютера, содержит 150 страниц; на каждой странице -- 40 строк, в каждой строке -- 60 символов. Каков объем информации в книге?

Решение. Мощность компьютерного алфавита равна 256. Один символ несет 1 байт информации. Значит, страница содержит 40 х 60 = 2400 байт информации. Объем всей информации в книге (в разных единицах):

2400 х 150 == 360 000 байт

360000/1024 = 351,5625 Кбайт

351,5625/1024 = 0,34332275 Мбайт.

1.5 Системы счисления

Информация в ЭВМ кодируется в двоичной системе счисления.

Система счисления - это способ записи чисел с помощью заданного набора специальных знаков (цифр).

Существуют позиционные и непозиционные системы счисления.

В непозиционных системах счисления цифры не меняют своего количественного значения при изменении их расположения в числе. Римская система счисления является непозиционной. Значение цифры X в числе XXI остается неизменным при вариации ее положения в числе (значение в любой позиции равно десяти).

В позиционных системах счисления количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. Десятичная система счисления является позиционной. Например, в числе 757,7 первая семерка означает 7 сотен, вторая - 7 единиц, а третья - 7 десятых долей единицы.

Сама же запись числа 757,7 означает сокращенную запись выражения

700+50+7+0,7 = 7*10² + 5*10¹ +7*10⁰ + 7*10^-1

Здесь 10 служит основой системы исчисления, а показатель степени - это номер позиции цифры в записи числа (нумерация ведется слева на право, начиная с нуля).

Любая позиционная система счисления характеризуется своим основанием.

Основание позиционной системы счисления - это количество различных знаков или символов, используемых для изображения цифр в данной системе.

В десятичной систем счисления используется десять цифр: 0, 1, 2,..., 9; в двоичной -- две: 0 и 1; восьмеричной -- восемь: 0, 1,2,..., 7. В общем случае, в системе счисления с основанием q используются цифры от 0 до (q - 1).

За основание можно принять любое натуральное число - два, три, четыре и т.д. Следовательно, возможно бесчисленное множество позиционных систем: двоичная, троичная, четверичная и т.д. Запись чисел в каждой из систем счисления с основанием q означает сокращенную запись выражения

a_n-1q^n-1 + a_n-2q^n-2 + ... + a₁q¹+ a₀q⁰ +a_-1q^-1 + ... + a_-mq^-m,

где a_i - цифры системы счисления; n и m - число целых и дробных разрядов соответственно.

Например:

1011,1₂ = 1*2³ + 0*2² + 1*2¹ + 1*2 ⁰ +1*2 ^-1

276,52₈ = 2*8² + 7*8¹ + 6*8 ⁰ + 5*8 ^-1 + 2*8 ^-2

В ВТ применяют позиционные системы счисления с недесятичным основанием: двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы и др. Для обозначения используемой системы счисления числа заключают в скобки и индексом указывают основание:

(15)₁₀;(1011)₂;(735)₈;(1ЕА9F)₁₆.

Иногда скобки опускают и оставляют только индекс:

15₁₀;1011₂;735₈;1ЕА9F₁₆.

В ЭВМ используют двоичную систему потому, что она имеет ряд преимуществ перед другими системами:

для ее реализации нужны технические элементы с двумя возможными состояниями (есть ток - нет тока, намагничен - ненамагничен и т.п.), а не с десятью, например, как в десятичной - и это намного проще;

представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво;

возможно применение аппарата алгебры логики для выполнения логических преобразований информации;

двоичная арифметика намного проще десятичной (двоичные таблицы сложения и умножения предельно просты):

Таблица 1

Двоичная таблица сложения	Двоичная таблица умножения
0+0=0	1+0=1	0*0=0	1*0=0
0+1=1	1+1=10	0*1=0	1*1=1

Недостаток двоичной системы - быстрый рост числа разрядов, необходимых для записи числа.

Для сокращения записи адресов и содержимого оперативной памяти компьютера используют шестнадцатеричную и восьмеричную системы исчисления: поскольку 2³=8, а 2⁴=16, то каждые три двоичных разряда (триада) числа образуют один восьмеричный, а каждых четыре двоичных разряда (тетрада) - один шестнадцатеричный.

Ниже, в таблице 2 приведены первые 16 натуральных чисел записанных в десятичной, двоичной, восьмеричной и шестнадцатеричной системах исчисления.

Системы счисления
Десятичная	Двоичная	Восьмеричная	Шестнадцатеричная
0	0	0	0
1	1	1	1
2	10	2	2
3	11	3	3
4	100	4	4
5	101	5	5
6	110	6	6
7	111	7	7
8	1000	10	8
9	1001	11	9
10	1010	12	А
11	1011	13	В
12	1100	14	С
13	1101	15	0
14	1110	16	Е
15	1111	17	F

В программировании актуальной является проблема перевода чисел из одной позиционной системы исчисления в другую.

Правила перевода чисел из одной системы счисления в другую

Для перевода восьмеричных и шестнадцатеричных чисел в двоичную систему достаточно каждую цифру заменить эквивалентной ей двоичной триадой или тетрадой (тройкой или четверкой цифр). Затем необходимо удалить крайние нули слева, а при наличии точки -- и крайние нули справа.

Пример 4. Перевести число 305,4₈ из восьмеричной системы счисления в двоичную.

Решение.

Используя таблицу 1, заменяем каждую цифру восьмеричного числа соответствующей триадой:

3 011

0 000

5 101

4 100

Таким образом, 305,4₈ = 011000101,100, удаляем нули справа и слева, получается число 11000101,1_{2 .}

305,4₈ = 11000101,1₂

Пример 5. Перевести число 1A3,F₁₆ в двоичную систему счисления.

1A3,F₁₆ = 0001 1010 0011,1111 = 110101100,1111₂

Чтобы перевести число из двоичной системы в восьмеричную или шестнадцатеричную, его нужно разбить влево и вправо от запятой на триады (для восьмеричной) или тетрады (для шестнадцатеричной) и каждую такую группу заменить соответствующей восьмеричной (шестнадцатеричной) цифрой.

Пример 6. Перевести число 111001100,0012 из двоичной в восьмеричную систему счисления.

Переводимое число Результат

111 001 100, 0012 = 714.1₈

При переводе десятичного числа в систему с основанием q его необходимо последовательно делить на q до тех пор, пока не останется остаток, меньший или равный q-1.

Числа с основанием q записываются как последовательность остатков от деления, записанных в обратном порядке, начиная с последнего.

Пример 7. Перевести число 75 из десятичной системы счисления в двоичную, восьмеричную и шестнадцатеричную:



Чтобы перевести число из системы счисления с основанием q в десятичную, надо это число представить в виде суммы степеней основания q.

Пример 8.

1011,1₂ =1000 + 10 + 1 + 0,1 = 1*2³ + 1*2¹ + 1*2⁰ + 1*2^-1 =11,5₁₀

276,5₈ = 200 + 70 + 6 + 0,5 = 2*8² + 7*8¹ + 6*8⁰ +5*8^-1 = 190,62₁₀

1F3₁₆ = 100 + F0 + 3 = 1*16² + 15*16¹ + 3*16⁰ =499₁₀

1.6 Логические основы ЭВМ

Для анализа и синтеза схем в ЭВМ при алгоритмизации и программировании решения задач широко используется математический аппарат алгебры логики. Основоположником математической логики является немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716 гг.). На заложенном Лейбницем фундаменте ирландский математик Джордж Буль построил здание новой науки - математической логики, которая в отличие от обычной алгебры оперирует не числами, а высказываниями.

Алгебра логики - это раздел математической логики, значения всех элементов (функций и аргументов) которой определены в двухэлементном множестве: 0 и 1.

Алгебра логики оперирует с логическими высказываниями.

Высказывание - это любое предложение, в отношении которого имеет смысл утверждение о его истинности или ложности.

Пример 9. Определить значения истинности для следующих высказываний.

«Лед - твердое вещество» - истинное высказывание.

«Париж - столица Китая» - ложное высказывание.

«Треугольник - это геометрическая фигура» - истинное высказывание.

Таким образом, по своей сути высказывания фактически являются двоичными объектами и поэтому истинному значению ставят в соответствии 1 (TRUE), а ложному - 0 (FALSE). В алгебре логики все высказывания обозначают буквами А, B, C и т.д. Например, запись А = 1 означает, что высказывание А истинно.

Высказывания могут быть простыми и сложными. Простые соответствуют алгебраическим переменным, а сложные являются аналогом алгебраических функций. Функции могут получаться путем объединения переменных с помощью логических операций.

Простейшими операциями в алгебре логики являются следующие операции:

§ Логическое сложение (операция ИЛИ (OR), операция дизъюнкции)

Это бинарная операция, так как представляет собой результат действий над двумя логическими величинами. Записывается в виде: AB или A+B. Значение такого выражения будет ИСТИНА, если значение хотя бы одного из операндов истинно.

§ Логическое умножение (операция И (AND), операция конъюнкции)

Также является бинарной, но в отличии от дизъюнкции имеет значение ИСТИНА, если оба ее операнда истинны. Записывается: AB или A*B.

§ Отрицание (операция НЕ (NOT), операция инверсии)

Унарная операция, то есть имеет всего один операнд. Записывается: или A.

Операции И, ИЛИ, НЕ образуют полную систему логических операций, из которых можно построить сколь угодно сложное логическое выражение.

Логическое выражение (логическая формула) - формула, содержащая лишь логические величины и знаки логических операций. Результатом вычисления логической формулы является одно из двух значений: ИСТИНА или ЛОЖЬ.

Последовательность выполнения операций в логических формулах определяется старшинством операций. В порядке убывания старшинства логические операции расположены так: отрицание, конъюнкция, дизъюнкция.

Существуют специальные таблицы, в которых указываются все возможные комбинации логических переменных A и B, а также соответствующие им результаты операций. Они называются таблицами истинности.

Таблицы истинности:

A	NOT A ( A)		A	B	A OR B (AB)	A AND B (AB)
1	0		0	0	0	0
0	1		1	0	1	0
		0	1	1	0
		1	1	1	1

В соответствии с международным стандартом на схемах логические блоки изображаются в следующем виде:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема ИЛИ, реализующая операцию логического сложения

Схема И, реализующая операцию логического умножения

Схема НЕ, реализующая операцию инверсии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пример 9. Рассмотрим сложное высказывание: «Число 6 делиться на 2, и число 6 делиться на 3». Представить данное высказывание в виде логической формулы.

Обозначим через A простое высказывание «число 6 делиться на 2», а через B «число 6 делиться на 3». Тогда соответствующая логическая формула примет вид: AB. Ее значение - ИСТИНА.

Пример 10. Вычислить значение логической формулы: не X и Y или X и Z, если логические переменные имеют значения: X = ЛОЖЬ, Y = ИСТИНА, Z = ИСТИНА.

Отметим порядок выполнения операций в логическом выражении:

не X и Y или X и Z

1) не X - не ЛОЖЬ = ИСТИНА;

2) неX и Y - ИСТИНА и ИСТИНА = ИСТИНА;

3) X и Z - ИСТИНА и ЛОЖЬ = ЛОЖЬ;

4) (неX и Y) или (X и Z) - ИСТИНА или ЛОЖЬ = ИСТИНА.

Ответ: ИСТИНА.

Вопросы для подготовки к контрольной работе по теме «Информация»

1. Понятия информатики, документалистики, кибернетики, сomputer science.

2. Понятие информации. Формы представления информации.

3. Хранение информации: понятие и виды носителей.

4. Обработка информации: понятие и примеры обработки информации.

5. Передача информации: элементы системы передачи информации, типы сигналов.

6. Виды информации.

7. Измерение информации: идеи вероятностного и объемного подходов, уметь решать задачи.

8. Системы счисления: понятия системы счисления, позиционной и непозиционной, общая запись числа в системе счисления с основанием q.

9. Преимущества двоичной системы счисления для ЭВМ.

10. Перевод чисел из одной системы счисления в другую (уметь переводить из десятичной системы счисления в другую и обратно).

11. Понятия алгебры логики, высказывания. Примеры высказываний.

12. Операции алгебры логики. Уметь решать задачи на определение истинности или ложности высказывания.

13. Схемы логических блоков.

II. Технические средства реализации информационных процессов

2.1 История развития вычислительной техники

Вычислительная машина - это техническое устройство обработки информации. Кроме обработки информации, вычислительная машина выполняет функции ввода, хранения и вывода информации. В развитии вычислительной техники отмечают предысторию и четыре поколения ЭВМ.

Предыстория начинается в древности с пальцевого счета и различных счетных инструментов (абак, счеты и пр.). Первая счетная машина (1642 г., французский математик Блез Паскаль). Затем (1673 г.) - немецкий математик Лейбниц (выполняла все четыре арифметических действия). Идея программно-управляемой счетной машины (1822 г., английский математик Чарльз Бэббидж).

1 поколение ЭВМ (с 1946 г.). Элементная база - электронные лампы. 10-20 тысяч операций в секунду. Программное обеспечение - машинные языки. Область применения - расчетные задачи. Примеры: ЭНИАК и ЭДВАК - США, МЭСМ - СССР.

2 поколение ЭВМ (60-е годы). Элементная база - полупроводниковые элементы. 100-150 тысяч операций в секунду. Программное обеспечение - алгоритмические языки, диспетчерские системы. Область применения - инженерные, научные, экономические задачи. Примеры: IBM 701 - США, БЭСМ-4, БЭСМ-6 - СССР.

3 поколение ЭВМ (70-е годы). Элементная база - интегральные микросхемы. 1млн. операций в секунду. Программное обеспечение: +операционные системы. Область применения - научно-технические задачи, автоматизированные системы управления (АСУ), системы автоматизированного проектирования (САПР). Примеры: IBM 360/370 - США, ЕС 1030, 1060 - СССР.

4 поколение ЭВМ. Элементная база - большие интегральные схемы (БИС). Десятки и сотни миллионов операций в секунду. Развитие прикладного программного обеспечения. Появление персональных компьютеров. Область применения - управление, создание автоматизированных рабочих мест, организация хранения больших массивов данных и удобного доступа к ним, развитие систем телекоммуникаций.

5 поколение ЭВМ. Должны разрабатываться иные по стилю обработки информации и взаимодействию с пользователем поколение машин.

Если раньше человек тщательно формулировал машине последовательность действий (программу), то теперь машина должна самостоятельно по поставленной перед ней цели составить план действий и выполнить их. Такой способ решения задач называется логическим программированием. Планируется вести общение с машиной на естественном языке. В совершенствовании будущих машин видны два пути:

На физическом уровне - это использование совершенно иных физических принципов построения узлов ЭВМ - на основе оптоэлектроники - использующей оптические свойства материалов, на базе которых создаются процессор и оперативная память и криогенной электроники использующей сверхпроводимость при очень низких температурах.

На уровне совершенствования интеллектуальных способностей - создание систем искусственного интеллекта.

2.2 Архитектура ЭВМ

Архитектура ЭВМ - общее описание её структуры и функций, достаточное для понимания принципов работы и системы команд ЭВМ, но скрывающее детали её технического и физического устройства.

Персональный компьютер - это настольная или переносная ЭВМ, удовлетворяющая требованиям общедоступности и универсальности применения.

Структура компьютера это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Функции компьютера можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции определяют его назначение: обработка и хранение информации, обмен информацией с внешними объектами.

Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций: обеспечивают режимы ее работы, диалог с пользователем, высокую надежность и др. Названные функции ПК реализуются с помощью ее компонентов: аппаратных и программных.

Классическая архитектура ЭВМ

Основы учения об архитектуре ЭВМ заложил выдающийся американский математик Джон фон Нейман. В 1945 г. Джон фон Нейман подготовил доклад. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем Джон фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. компьютеров.

Основные из них:

— В состав компьютера входят орган арифметики и управления (процессор), орган памяти, орган связи с внешним миром (устройства ввода и вывода).

— Единственным источником активности в ЭВМ является процессор, который управляется программой, находящейся в памяти ЭВМ.

— Обработка информации происходит только в регистрах процессора.

— Вся память разбита на ячейки и каждой ячейке присвоен адрес (принцип дискретности и адресуемости памяти).

— Каждая машинная команда содержит следующие предписания: из каких ячеек взять обрабатываемую информацию; какие действия с ней совершить; в какие ячейки направить полученный результат.

— Принцип хранимой программы: машинная программа, которая составлена из команд в двоичном коде, хранится в ячейках памяти.

— В каждый момент времени процессор выполняет одну команду, адрес которой хранится в специальном регистре сопроцессорной памяти - счетчике команд.

— Процессор выполняет команду за командой в соответствии со счетчиком команд, пока не получит команду остановиться.

Схема классической архитектуры компьютера («фон-неймановская архитектура»)

Разработанные Джоном фон Нейманом основы архитектуры вычислительных устройств оказались настолько фундаментальны, что получили название «фон-неймановской архитектуры». Основными блоками по Нейману являются (см. рис. 2): устройство управления УУ, АЛУ, память (внутренняя и внешняя), устройства ввода и вывода. Устройство управления и арифметически-логическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором.

Процессор - центральный блок компьютера, предназначенный для обработки информации и управления работой компьютера в целом. Конструктивно процессор представляет собой микросхему (или блок микросхем). Микросхема (интегральная схема) - сложная электронная схема, образованная большим количеством электронных элементов, сформированных на поверхности кристалла кремния (или другого полупроводника).

В его составе два основных устройства: арифметико-логическое устройство (предназначено для обработки информации, выполнения арифметических и логических операций над данными); устройство управления - управляет работой компьютера (формирует и подает во все блоки машины в нужные моменты времени определенные управляющие сигналы).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Память

Основное предназначение памяти - хранение информации. Различают внутреннюю и внешнюю память компьютера.

Внутренняя память реализуется в виде микросхем. Высокая скорость обмена сигналами с процессором, что обеспечивает быстрый доступ к хранимой информации. Ёмкость внутренней памяти невелика в сравнении с ёмкостью внешних носителей информации. В составе внутренней памяти выделяют оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). ОЗУ предназначена для хранения информации, с которой компьютер работает в данный момент. Зависит от источника питания, содержимое исчезает при его отключении. ПЗУ предназначено для хранения информации, к которой необходим быстрый доступ, но нет возможности с каждым новым включением загружать ее в ОЗУ. Такая информация записывается в ПЗУ в заводских условиях и в дальнейшем может быть только прочитана.

Внешняя память. К ней относятся накопители на магнитных и оптических дисках вместе с носителями информации, электронные устройства внешней памяти - флэш-память. Их функция - обеспечить чтение и запись информации на внешние носители. Если накопитель работает с дисками, то его называют дисководом. Например, дисковод жестких дисков, дисковод гибких дисков, дисковод компакт-дисков.

Внешние устройства

Внешние устройства ПК (устройства ввода, вывода и обмена данными) предназначены для обмена информацией между компьютером и окружающим миром.

Устройства ввода: клавиатура, манипуляторы (мышь, джойстик, трекбол), сканеры, видеокамеры, датчики измерительных приборов и т.д.

Устройства вывода: монитор, принтер, графопостроитель, исполнительные механизмы, синтезаторы звука и речи и др.

Устройства обмена информацией выполняют одновременно и функцию ввода, и функцию вывода. К ним относится модем.

Магистрально-модульная или шинная архитектура компьютера

С развитием техники классическая архитектура Неймана не могла не претерпеть определенных прогрессивных изменений.

Переход от транзисторов к интегральным схемам создали предпосылки для существенного роста быстродействия процессора. Возникло противоречие между высокой скоростью обработки информации внутри машины и медленной работой устройств ввода-вывода, в большинстве своем содержащих механические движущиеся части. Процессор, руководивший работой внешних устройств, значительную часть времени был вынужден простаивать в ожидании информации «из внешнего мира», что снижало эффективность работы всей ЭВМ в целом.

Для решения этой проблемы возникла тенденция к освобождению центрального процессора от функций обмена и к передаче их специальным электронным схемам - контроллерам.

Контроллеры можно рассматривать как специализированные процессоры, управляющие работой «вверенных им» внешних устройств, т.е. эти устройства служат для управления внешними устройствами. Каждому внешнему устройству соответствует - свой контроллер. Электронные модули-контроллеры реализуются на отдельных печатных платах, вставляемых внутрь системного блока. Такие платы часто называют адаптерами ВУ (от адапти-ровать - приспосабливать). После получения команды от микропроцессора контроллер функционирует автономно, освобождая микропроцессор от выполнения специфических функций, требуемых для того или другого конкретного ВУ.

Передача данных и управляющих сигналов между всеми устройствами компьютера происходит через магистраль (системная шина, общая шина) микропроцессора, включающую шину адреса, двунаправленную шину данных и шину управления. Магистраль - это кабель, состоящий из множества проводов.

Шина адреса используется для передачи адресов ячеек памяти и регистров для обмена информацией с внешними устройствами.

Шина данных обеспечивает передачу обрабатываемой информации между МП, памятью и периферийными устройствами. Шина двунаправленная, т.е. позволяет осуществлять пересылку данных как в прямом, так и в обратном направлении.

Шина управления предназначена для передачи управляющих сигналов - управления памятью, управления обменом данных, запросов на прерывание и т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Схема магистрально-модульной или шинной архитектуры компьютера (рис. 3)

к - контроллер или адаптер

Для большинства современных персональных компьютеров реализован принцип открытой архитектуры (или магистрально-модульный принцип), согласно которому можно легко менять состав устройств персонального компьютера благодаря тому, что все блоки компьютера подключаются к магистрали.

2.3 Состав и назначение основных элементов персонального компьютера

Базовая (типовая) конфигурация современного ПК

Конфигурация - это состав вычислительной системы. В настоящее время в базовой конфигурации рассматривают следующие устройства:

Системный блок

Монитор

Клавиатура

Мышь

Системный блок - представляет собой основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты. Устройства, находящиеся внутри системного блока называют внутренними, а устройства, подключаемые к нему снаружи - внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения данных, также называют периферийными.

В состав системного блока входят:

Материнская плата.

Жесткий диск.

Дисковод гибких дисков.

Дисковод компакт-дисков.

Контроллеры внешних устройств.

Разъемы для подключения внешних устройств.

Блок электропитания.

Дополнительные устройства (вентилятор, таймер и др.)

Краткая характеристика устройств системного блока

Системная (материнская) плата

На материнской плате обычно располагаются следующие устройства:

· процессор - основная микросхема, выполняющая математические и логические операции;

· оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) - набор микросхем, предназначенных для временного сохранения данных, пока включен компьютер;

· постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - микросхема, предназначенная для долговременного хранения данных, даже при отключенном компьютере;

...