Информатика Французский термин Informatique Informacion (информация) + Automatique

Информатика Французский термин Informatique Informacion (информация) + Automatique (автоматика) «информационная автоматика или автоматизированная переработка информации» В большинстве стран Западной Европы и США используется термин - Computer Science (наука о средствах вычислительной техники).

Определения • Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации средствами вычислительной техники и взаимодействия этих средств со средой применения. • Кибернетика – это наука об общих принципах управления в различных системах: технических, биологических, социальных и др. • Акцент в информатике ставится на свойства информации и аппаратно-программные средства ее обработки. • Акцент в кибернетике – на разработку концепций и построение моделей объектов с использованием, в частности, информационного подхода.

Структура информатики 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.

Измерение и представление информации • информация от латинского слова informatio - осведомление, разъяснение, изложение • Первая концепция- концепция Шеннона, информация как мера неопределенности (энтропия) события • Вторая концепция- информация как свойство материи • Третья концепция- информация трактуется как знание, причем не любое знание, а та его часть, которая используется для ориентировки, для активного действия, для управления и самоуправления. • Итог: Информация - это сведения, снимающие неопределенность об окружающем мире, которые являются объектом хранения, преобразования, передачи и использования. Сведения - это знания выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т. д.

Сигналы Данные Методы Информация Для определения информации очень важно понять, что информация образуется из данных, но ее содержательная часть зависит не только от того, какие сигналы были зарегистрированы при образовании данных, но и от того, какими методами данные воспроизводятся.

Методы воспроизведения и обработки данных • Естественные методы. Методы, основанные на органах чувств. Логическое мышление. Воображение, сравнение, сопоставление, анализ, прогнозирование и т. п. • Аппаратные методы – это всегда устройства (приборы). Магнитофоны, телефоны, микроскопы, видеомагнитофоны и т. д. С точки зрения информатики эти устройства выполняют общую функцию – преобразуют данные из формы, недоступной для естественных методов человека, в форму, доступную для них. • Программные методы. Широкое внедрение средств вычислительной техники позволяет автоматизировать обработку самых разных видов данных с помощью компьютера. Компьютер – это прибор особого типа, в котором одновременно сочетаются аппаратные и программные методы обработки и представления информации. Эти методы составляют предметную область информатики.

Меры информации • Для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных Vд • Синтаксическая мера информации. Эта мера оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту. • Объем данных Vд в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В различных системах счисления один разряд имеет различный вес и соответственно меняется единица измерения данных: • в 2 -ой системе счисления единица измерения – бит (bit – binary digit) 1011, имеет объем данных 8 бит или 1 байт • в 10 -ой системе счисления единица измерения – дит (десятичный разряд). Число 275903 имеет объем данных 6 дит.

• Количество информации I на синтаксическом уровне определяется с помощью понятия неопределенности состояния (энтропии) системы. • Iβ(α) = H(α) - Hβ(α) • Если Hβ(α) =0, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество информации Iβ(α) = H(α). Иными словами, энтропия системы H(α) может рассматриваться как мера недостающей информации. • Энтропия системы H(α), • когда все состояния системы равновероятны, т. е. их вероятности равны Pi=1/N, ее энтропия определяется соотношением. • Одно и то же количество разрядов в разных системах счисления может передать разное число состояний отображаемого объекта, что можно представить в виде соотношения • N = mn, • где N – число всевозможных отображаемых состояний; • m – основание системы счисления (разнообразие символов, применяемых в алфавите); • n – число разрядов (символов) в сообщении.

• Семантическая мера информации • Тезаурус – это совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система. • График зависимости количества семантической информации, воспринимаемой потребителем, от его тезауруса Ic = f(Sp) • Два предельных случая, когда количество семантической информации Ic равно 0: • при Sp 0 пользователь не воспринимает, не понимает поступающую информацию; • при Sp пользователь все знает, и поступающая информация ему не нужна. • Относительной мерой количества семантической информации может служить коэффициент содержательности C, который определяется как отношение количества семантической информации к ее объему:

Прагматическая мера информации. Эта мера определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цели. Эта мера также величина относительная, обусловленная особенностями использования этой информации в той или иной системе. Мера информации Синтаксическая: шенноновский подход компьютерный подход Семантическая Прагматическая Единицы измерения Степень уменьшения неопределенности Единицы представления информации Тезаурус Экономические показатели Ценность использования Примеры (для компьютерной области) Вероятность события Бит, байт, Кбайт и т. д. ППП, ПК, компьютерные сети и т. д. Рентабельность, производительность, коэффициент амортизации и т. д. Емкость памяти, производительность компьютера, скорость передачи данных и т. д. Денежное выражение Время обработки информации и принятия решений

• Качественные свойства информации • Репрезентативность • Содержательность информации отражает семантическую емкость, равную отношению количества семантической информации в сообщении к объему обрабатываемых данных • Достаточность (полнота) • Доступность • Актуальность • Своевременность • Точность • Достоверность • Устойчивость.

Классификация информации По форме Дискретн По области По способам По По способу возникновен восприятия общественно кодирования ия му значению Элемент Визуальн Массовая Текстовая ая арная ая Специаль Числовая Аналогов Биологич Аудиаль ная Графическ ая еская ная Личная ая Социаль Тактильн Музыкаль ная ая ная Комбинир Органол ованная ептическая

Пример схемы классификации информации циркулирующей в больнице

Хранение информации — это способ распространения информации в пространстве и времени. Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга — библиотека, картина — музей, фотография — альбом). Рукопись Книга Архив Хранение очень больших объемов информации оправдано только при условии, если поиск нужной информации можно осуществить достаточно быстро, а сведения получить в доступной форме. Информационная система — это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска и размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур — главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов. Совокупность устройств, предназначенных для автоматической и автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенных для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер. Компьютер – это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных.

Поколения ЭВМ Поколения Первое Второе Третье Четвертое Пятое 1951 -1954 1958 -1960 1965 -1966 Элементная база процессора Электронные лампы Транзисторы (полупроводнико вые схемы) Интегральные схемы (ИС) Большие ИС (БИС) Сверх БИС + Оптоэлектроника + Криоэлектроника Элементная база ОЗУ Электроннолучевые трубки Ферритовые сердечники БИС СБИС Максимальная емкость ОЗУ (байт) 102 103 104 105 107 108 Максимальное быстродействие процессора (оп/с) 104 106 107 108 109+ многопроце ссорность 1012+ многопроце ссорность Средства связи пользователя с ЭВМ Пульт управления и перфокарты Перфокарты, перфоленты + АЦПУ Видео – терминальные устройства Монохромный графический дисплей + клавиатура Цветной графический дисплей + клавиатура + мышь + Устройство голосовой связи с ЭВМ Показатель 1976 -1979 с 1985

Классификация вычислительных машин • 1. 2. 3. 4. По области применения ЭВМ: Универсальные Проблемно-ориентированные Специализированные По принципам действия: Аналоговые Цифровые Гибридные По вычислительной мощности: супер-ЭВМ Большие ЭВМ Мини-ЭВМ Микро-ЭВМ

Современная классификация компьютеров • • Карманные компьютеры (Pocket PC) Портативные компьютеры (Nootebook) Настольные компьютеры (Base PC) Рабочие станции (Workstation) Серверы (Server) Суперкомпьютеры (Super Computer) Кластерные системы (Claster System)

Супер компьютеры Положение Rmax Rpeak Название (Tflops) 1 8162. 00 8773. 63 2 2 566. 00 4 701. 00 3 1 759. 00 2 331. 00 K computer Компьютер Число процессорных ядер RIKEN 68, 544× 8 SPARC 64 VIIIfx Tianhe-1 A NUDT TH MPP 186368(X 5670 2. 93 Ghz 6 C, NVIDIA GPU, FT -1000 8 C) Jaguar Cray XT 5 224162 (Opteron) Производитель Fujitsu Место, страна, год RIKEN Япония, 2011 NUDT Национальный суперкомпьюте рный центр в Тяньцзине Китай, 2010 Cray Окриджская национальная лаборатория США, 2009

Топ 10 суперкомпьютеров России • Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова • 2 РНЦ Курчатовский институт • 3 Южно-Уральский государственный университет 4 Межведомственный суперкомьютерный центр Российская академия наук • 5 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова • 6 Government • 7 ИПМ им. М. В. Келдыша РАН • 8 Government 9 Banking 10 Classified

Кластерные системы • Беовульф – это мультикомпьютерная архитектура, которая может использоваться для параллельных вычислений. Это система, обычно состоящая из одного серверного узла и одного или более клиентских узлов, соединенных при помощи Ethernet или некоторой другой сети. Это система, построенная из готовых промышленных компонент, например ПЭВМ, на которых может работать ОС Linux, стандартных адаптеров Ethernet и коммутаторов. Она не содержит специфических аппаратных компонентов и легко воспроизводима. Одно из основных отличий Беовульфа от кластера рабочих станций состоит также в том, что Беовульф работает как одна машина.

Кодирование информации • Кодирование - это процесс преобразования информации в совокупность символов. • Система кодирования – это набор правил построения новых обозначений объекта. • Цель кодирования – представления информации в более компактной форме. • Код- это условное обозначение конкретного объекта и это ключ для перевода информации из одной формы в другую.

Требования к кодам • Системы кодирования должны быть ориентированы на автоматизированную обработку • Системы кодирования должны обеспечить резерв кодовых обозначений для новых позиций и расширения номенклатуры без нарушения ее структуры • Коды должны однозначно идентифицировать каждый объект и содержать всю необходимую информацию об объектах • Коды должны быть стабильным (для каждой номенклатуры иметь одинаковую длину) и едиными для всех подразделений

Системы счисления • Системы счисления – принятый способ наименования и записи чисел с помощью символов, имеющих определенные количественные значения. • В позиционной системе счисления количественное значение каждой цифры зависит от ее места (позиции) в числе. • В непозиционных системах счисления значение цифры не зависит от места, которое он занимает в числе. Самый известный пример – римская система счисления. В этой системе счисления используется 7 знаков • I (1) V (5) X (10) L (50) C (100) D(500) M(1000) • Например, III (три) LIX (59) DLV (555) • Для записи чисел в различных системах счисления используется некоторое количество отличных друг от друга знаков. Число таких знаков в позиционной системе счисления называется основанием системы счисления.

Некоторые системы счисления Основание Системы счисления Знаки 2 Двоичная 0, 1 5 Пятеричная 0, 1, 2, 3, 4 8 Восьмеричная 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 10 Десятичная 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 16 Шестнадцатеричная 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

В позиционной системе счисления число может быть представлено в виде суммы произведений коэффициентов на степени основания системы счисления. Например, 23, 43(10) = 2*101 + 3*100 + 4*10 -1 + 3*10 -2 Т. е. значение каждого знака в числе зависит от позиции, которую занимает знак в записи числа. В примере первый знак 3 означает число единиц, второй – число сотых долей единицы. 692(10) = 6*102 + 9*101 + 2*100 1101(2) = 1*23 + 1*22 + 0*21 + 1*20 = 13(10) 112(3) = 1*32 + 1*31 + 2*30 = 14(10) 341, 5(8) = 3*82 + 4*81 + 1*80 + 5*8 -1 = 225, 125(10) A 1 F, 4(16) = A*162 + 1*161 + F*160 + 4*16 -1 = 2591, 06(10) Если в приведенных выше примерах произвести арифметические действия в правой части равенства, то получится число в десятичной системе счисления. Это и есть способ перевода из любой системы счисления в десятичную.

Перевод чисел их одной системы счисления в другую • Чтобы перевести целую часть числа из десятичной системы в систему с основанием В, необходимо разделить ее на В. Остаток даст младший разряд числа. Полученное при этом частное необходимо вновь разделить на В – остаток даст следующий разряд числа и т. д. Для перевода дробной части ее необходимо умножить на В. Целая часть, полученного произведения будет первым (после запятой, отделяющей целую часть от дробной) знаком. Дробную часть произведения необходимо вновь умножить на В. Целая часть полученного числа будет следующим знаком и т. д.

Перевод из десятичной системы в двоичную Целая и дробная части переводятся порознь. Для перевода целой части числа необходимо ее разделить на основание системы счисления 2 и продолжать делить частные от деления до тех пор пока частное не станет равным 0. Значение получившихся остатков, взятые в обратной последовательности, образуют искомое двоичное число. Например, 25 : 2 = 12 (1), 12 : 2 = 6 (0), 6: 2=3 (0), 3: 2=1 (1), 1: 2=0 (1). 25(10) = 11001(2) Для перевода дробной части надо умножить ее на 2. Целая часть произведения будет первой цифрой числа в двоичной системе. Затем, отбрасывая у результата дробную часть, вновь умножаем на 2 и т. д. Конечная десятичная дробь при этом вполне может стать бесконечной (периодической) двоичной. Например, 0, 73 * 2 = 1, 46 (целая часть 1) 0, 46 * 2 = 0, 92 (целая часть 0) 0, 92 * 2 = 1, 84 (целая часть 1) 0, 84 * 2 = 1, 68 (целая часть 1) и т. д. 0, 73(10) = 0, 1011…(2)

Перевод чисел из десятичной системы в восьмеричную производится также как и в двоичную с помощью умножения и деления, только не на 2, а на 8. Например, 58, 32(10) 58 : 8 = 7 (2 в остатке) 7 : 8 = 0 (7 в остатке) 0, 32 * 8 = 2, 56 0, 56 * 8 = 4, 48 0, 48 * 8 = 3, 84, … 58, 32(10) = 72, 243…(8) Перевод чисел из десятичной системы счисления в 16 -ричную производится аналогично. 567(10)0 = 237(16)

Для перевода целого двоичного числа в восьмеричное необходимо разбить его справа налево на группы по 3 цифры (самая левая группа может содержать менее трех двоичных цифр), а затем каждой группе поставить в соответствие ее восьмеричный эквивалент. Такие группы называют двоичными триадами. Например, 11011001 = 11 001 = 331(8) Перевод целого двоичного числа в шестнадцатеричное производится путем разбиения данного числа на группы по 4 цифры – двоичные тетрады. 1100011011001 = 1 1000 1101 1001 = 18 D 9(16) Для перевода дробных частей двоичных чисел в восьмеричную или шестнадцатеричную системы аналогичное разбиение на триады или тетрады производится от запятой вправо (с дополнением недостающих последних цифр нулями) 0, 1100011101(2) = 0, 110 001 110 100 = 0, 6164(8) 0, 1100011101(2) = 0, 1100 0111 0100 = С 74(16) Перевод восьмеричных (шестнадцатеричных) чисел в двоичные производится обратным путем – сопоставлением каждому знаку числа соответствующей тройки (четверки) двоичных цифр. А 1 F(16) = 1010 0001 1111(2) 127(8) = 001 010 111(2)

Представление информации в ЭВМ • Кодирование текстовых данных • При двоичном кодировании текстовых данных каждому символу ставится в соответствие своя уникальная последовательность из восьми нулей и единиц, свой уникальный двоичный код от 0000 до 1111 (десятичный код от 0 до 255)

Стандарты кодировки национального алфавита • КОИ-8 ( «Код обмена информацией 8 битный» ). Эта кодировка применяется на компьютерах с операционной системой UNIX.

Наиболее распространенная кодировка – это стандартная кириллическая кодировка Microsoft Windows, обозначаемая сокращением СР 1251 ( «СР» означает «Code Page» , «кодовая страница» ). Все Windows-приложения, работающие с русским языков, поддерживают эту кодировку (Windows 1251, Win 1251).

Для работы в среде операционной системы MSDOS используется «альтернативн ая» кодировка, в терминологии фирмы Microsoft СР 866 (КОИ-7)

Существует также международный стандарт Unicode, который отводит на каждый символ не один байт, а два, и потому с его помощью можно закодировать не 256 символов, а N = 216 = 65536 различных символов. Кодировка используется в основном для передачи данных по сети Internet, ее поддерживает платформа Microsoft Windows&Office.

Кодирование графических данных Кодирование графической информации Создавать и хранить графические объекты в компьютере можно двумя способами – как растровое или как векторное изображение. Для каждого типа изображений используется свой способ кодирования.

Кодирование растровых изображений Растровое изображение представляет собой совокупность точек (пикселей) разных цветов. Для черно-белого изображения информационный объем одной точки равен одному биту (либо черная, либо белая – либо 1, либо 0). Для четырех цветного – 2 бита. Для 8 цветов необходимо – 3 бита. Для 16 цветов – 4 бита. Для 256 цветов – 8 бит (1 байт). Цветное изображение на экране монитора формируется за счет смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Т. н. модель RGB. Для получения богатой палитры базовым цветам могут быть заданы различные интенсивности. 4 294 967 296 цветов (True Color) – 32 бита (4 байта).

Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, дополняющий основной до белого. Такими цветами являются: голубой (Cyan C), пурпурный (Magenta M) и желтый (Yellow Y). К ним также можно применить принцип декомпозиции. Такой метод кодирования принят в полиграфии, но при этом используется еще один цвет – черный (Black K). Данная система кодирования обозначается буквами CMYK. Для кодирования одной точки необходимо уже 32 разряда. Такой режим также называется полноцветным (true color). При уменьшении количества двоичных разрядов до 16, можно сократить объем данных, но и диапазон кодируемых цветов заметно сократиться. Такой режим называется (High Color)

Кодирование векторных изображений Векторное изображение представляет собой совокупность графических примитивов (точка, отрезок, эллипс…). Каждый примитив описывается математическими формулами. Кодирование зависти от прикладной среды.

Кодирование звуковых данных • • • Метод FM (Frequency Modulation). Для каждого участка устанавливается определенная величина амплитуды, каждому значению амплитуды присваивается двоичный код. Качество кодирования зависит от количества измерений уровня сигнала в единицу времени. Качество компьютерного звука определяется характеристиками аудиоадаптера: частотой дискретизации и разрядностью. Частота дискретизации – это количество измерений входного сигнала за 1 секунду (Гц). Разрядность регистра – число бит в регистре аудиоадаптера. Разрядность определяет точность измерения входного сигнала. Если разрядность равна 8 (16), то при измерении входного сигнала может быть получено 28 = 256 (216 = 65536) различных значений.

• Метод таблично-волнового синтеза (Wave-Table) лучше соответствует современному уровню развития техники. В заранее подготовленных таблицах хранятся образцы звуков для множества различных музыкальных инструментов. Такие образцы называются сэмплами. Числовые коды выражают тип инструмента, номер его модели, высоту тона, продолжительность и интенсивность звука, динамику его изменения, некоторые параметры среды, в которой происходит звучание, а также и другие параметры, характеризующие особенности звучания. Так как в качестве образцов используются реальные звуки, качество звука получается высоким близким к звучанию реальных музыкальных инструментов.

Хранение данных в компьютере Байт 0 Байт 1 Полуслово Байт 2 Байт 3 Полуслово Байт 4 Байт 5 Полуслово СЛОВО ДВОЙНОЕ СЛОВО Байт 6 Байт 7

Представление вещественных чисел. Представление чисел в естественной форме в виде записи целой и дробной части числа, отделенных друг от друга запятой, называется формой представления чисел с фиксированной запятой. Для представления вещественных чисел в современных компьютерах применяется другая форма, которую принято называть форма представления вещественных чисел с плавающей запятой. В этом формате разряды регистра разбиваются на два поля, имеющие название мантисса и порядок. К тому же используется нормализованная форма записи чисел, при которой у мантиссы старший разряд обязательно меньше 1, а порядок – целое положительное или отрицательное число: А = m К p, где m – мантисса числа, p – порядок числа ( m < 1), К – основание системы счисления.

Элементы алгебры логики Кодовое слово Узел ЭВМ Кодовое слово Выходное слово = f(входное слово) – функции алгебры логики Для задания функций используют два способа: -аналитический, когда функция записывается формулой; -табличный, когда строится таблица истинности, содержащая всевозможные сочетания аргументов и соответствующие им значения функций

Конъюнкция • Логическое умножение – операция И

Дизъюнкция • Логическое сложение – операция ИЛИ

Инверсия • Логическое отрицание – операция НЕ

Законы алгебры логики Закон Переместительный Сочетательный Распределительный Правила де Моргана Идемпотенции Поглощения Склеивания Операция переменной с ее инверсией Операция с константами Двойного отрицания Для ИЛИ Для И