Введение в информатику Зарождение информатики Внедрение

Введение в информатику

Зарождение информатики Внедрение компьютерной техники во все сферы человеческой деятельности послужило толчком к зарождению новой научной и прикладной дисциплины - информатики. Впервые этот термин стал использоваться во Франции в 60 -х годах. В англоязычных странах ему соответствует синоним computer science (наука о компьютерной технике). В нашей стране информатика стала определяться как самостоятельная область деятельности с начала 80 - х годов, а спустя несколько лет вошла в школьную программу как самостоятельная дисциплина.

Человек и компьютер Информатика определяет сферу человеческой деятельности, связанную с процессами хранения, преобразования и передачи информации с помощью компьютера. Но могущество компьютера определяется человеком и теми знаниями, которыми он обладает. В процессе изучения информатики надо не только научиться работать на компьютере, но и уметь целенаправленно его использовать для познания и созидания окружающего нас мира.

Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика". Informatique = information + automatique Информатика = информация + автоматика

Термин "информатика" Широко распространён также англоязычный вариант этого термина – "Сomputer science", что означает буквально "компьютерная наука". Сomputer science Компьютерная наука

Что такое информатика? • Информатика – это техническая наука, определяющая сферу деятельности, связанную с процессами хранения, преобразования и передачи информации с помощью компьютера. • Компьютер – универсальный прибор для обработки информации.

Структура информатики • Теоретическая информатика • Средства информатизации • Информационные системы и технологии

Теоретическая информатика – часть информатики, занимающаяся изучением структуры и общих свойств информации и информационных процессов, разработкой общих принципов построения информационной техники и технологии. Основные разделы: • теория алгоритмов и автоматов; • теория информации; • теория кодирования; • математическая логика; • теория формальных языков и грамматик; • исследование операций и т. д.

Средства информатизации (технические и программные) – раздел, занимающийся изучением общих принципов построения вычислительных устройств и систем обработки и передачи данных, а также вопросов, связанных с разработкой систем программного обеспечения.

Информационные системы (ИС) и технологии (ИТ) Информационные системы и технологии – раздел информатики, связанный с решением вопросов по анализу потоков информации, их оптимизации, структурировании в различных сложных системах, разработкой принципов реализации в данных системах информационных процессов.

Связь информатики с другими науками Философия и Учение об информации и теории психология познания Математика Теория математического моделирования, дискретная математика, математическая логика, теория алгоритмов Лингвистика Учение о формальных языках и знаковых системах Кибернетика Теория информации и теория управления Физика, химия, Все аспекты разработки и создания электроника и аппаратных средств информатизации радиотехника

Информация, виды и свойства информации

Понятие «информация» Информация - некоторые сведения, данные, знания и т. п. Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации.

Примеры сообщений • Музыкальное произведение • Телепередача • Команды регулировщика на перекрестке • Текст, распечатанный на принтере • Данные, полученные в результате работы составленной вами программы и т. д.

Информационные процессы Информационный процесс – последовательность действий, выполняемых с информацией. Информационные системы – системы, реализующие информационные процессы. Основные этапы обращения информации в системе: • сбор (восприятие) информации; • подготовка (преобразование) информации; • передача информации; • обработка (преобразование) информации; • хранение информации; • отображение (воспроизведение) информации.

Этап восприятия информации На данном этапе осуществляется целенаправленное извлечение и анализ информации о каком-либо объекте (процессе), в результате чего формируется образ объекта, проводятся его опознание и оценка. Главная задача – отделить полезную информацию от мешающей (шумов).

Этап подготовки информации На данном этапе осуществляется ее первичное преобразование. Проводятся такие операции, как нормализация, аналого-цифровое преобразование, шифрование Этот этап рассматривается как вспомогательный на этапе восприятия. В результате восприятия и подготовки получается сигнал в форме, удобной для передачи, хранения или обработки.

Передача информации Информация пересылается из одного места в другое . канал связи Источник Получатель сообщение информации Примеры канала связи При передаче речевого сообщения в качестве канала связи можно рассматривать воздух, в котором распространяются звуковые волны. В случае передачи письменного сообщения каналом связи можно считать лист бумаги, на котором распечатан текст. Самыми распространенными каналами связи являются электрические, электромагнитные и оптические.

Обработка информации На данном этапе выявляются ее общие и существенные взаимозависимости, представляющие интерес для системы. Преобразование осуществляется либо средствами информационной техники, либо человеком. Результатом обработки является тоже информация. Обработка данных предполагает производство различных операций над ними, в первую очередь, арифметических и логических.

Хранение информации Информацию записывают в запоминающее устройство для последующего использования. Для хранения информации используются в основном полупроводниковые и магнитные носители.

Отображение информации Цель этого этапа – предоставить человеку нужную ему информацию с помощью устройств, способных воздействовать на его органы чувств.

Сигналы Сообщение, передаваемое с помощью носителя, называется сигналом. Сигнал – это изменяющийся во времени физический процесс. Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала. Например, при передаче электрических сигналов могут изменяться напряжение и сила тока.

Виды сигналов Существующие в технических устройствах сигналы делятся на непрерывные и дискретные. Непрерывность означает возможность его изменения на любую малую величину в любой заданный малый промежуток времени. Дискретность сигнала означает возможность его измерения только на конечном отрезке, в строго определенные моменты времени.

Непрерывный и дискретный сигналы

Непрерывный и дискретный сигналы Непрерывный электрический сигнал в технических системах передачи и обработки информации называют аналоговым сигналом. Например, звук. Термин «дискретный» означает «разделенный» , состоящий из отдельных частиц, элементов. При цифровой передаче и обработке информации используются дискретные сигналы. Например, телеграф. Телеграфное сообщение представляет собой последовательность электрических сигналов разной длительности, переносимых от одного телеграфного аппарата по проводам к другому телеграфному аппарату.

Виды информации • Графическая • Текстовая • Символьная • Музыкальная • Числовая

Свойства информации – качественная характеристика полученной (воспринятой) человеком информации относительно его исходных знаний (новизна), интересов и потребностей (актуальность) и т. д.

Свойства информации • актуальность – мера соответствия ожиданиям или потребностям; • достоверность – мера соответствия истине; • понятность – мера восприятия смысла; • новизна – мера нового знания; • полнота – мера целостности описания, целостности исходных данных, необходимых для решения поставленной задачи; • адекватность – мера соответствия текущему состоянию системы; • стоимость – мера сложности добывания информации.

Единицы измерения количества информации За единицу количества информации принимается такое количество информации, которое содержит сообщение, уменьшающее неопределенность знания в 2 раза. Такая единица названа бит. 1 байт = 23 битов = 8 битов 1 Кбайт = 210 байт = 1024 байт 1 Мбайт = 220 байт = 1024 Кбайт 1 Гбайт = 230 байт 1 Тбайт = 240 байт

Алфавитный подход к измерению информации Применяется в цифровых (компьютерных) системах хранения и передачи информации. В этих системах используется двоичный способ кодирования информации. Алфавитный подход еще называют объемным подходом. При алфавитном подходе для определения количества информации имеет значение лишь размер (объем) хранимого и передаваемого кода. Объем информации равен длине двоичного кода.

Алфавитный подход к измерению информации Основная единица: 1 бит – один разряд двоичного кода. Информационный вес символа (i битов) алфавита мощностью N определяется из уравнения: 2 i=M где М – ближайшая к N сверху целая степень двойки. Информационный объем I текста, содержащего К символов: I=K∙i, где i – информационный вес одного символа.

Задачи Пример 1. Определите информационный вес символа алфавита, включающего в себя строчные и прописные русские буквы, цифры, знаки препинания, скобки, кавычки. Решение: Сколько всего символов? Строчные и прописные русские буквы – 66. Цифры – 10. Знаки препинания, скобки, кавычки – 10. Итого – 86 символов. 26<86< 27 Информационный вес символов данного алфавита = 7 битам.

Содержательный подход к измерению информации Сущность: сообщение, информирующее об исходе какого-то события, снимает неопределенность знания человека об этом событии. Чем больше первоначальная неопределенность знания, тем больше информации несет сообщение, снимающее эту неопределенность. Неопределенность знания – это количество возможных вариантов ответа на поставленный вопрос. Еще можно сказать: возможных исходов события. Проблема измерения информации была решена американским ученым Клодом Шенноном – основателем теории информации (в 40 -х годах ХХ века). Информация – это снятая неопределенность знания человека об исходе какого-то события. Сообщение, уменьшающее неопределенность знания от исходе некоторого события в два раза, несет 1 бит информации.

Формула Хартли Существует формула, которая связывает между собой количество возможных событий N и количество информации I N=2 i или I=log 2 N Используется тогда, когда все возможные исходы события равновероятны.

Таблица

Вероятность и информация Вероятность некоторого исхода события измеряется частотой его повторения для большого числа событий. Р=k/n P – вероятность определенного исхода события; n – количество повторений события (большое число); k – количество повторений данного исхода. i=log 2(1/P) i ( битов ) – количество информации в сообщении об исходе события, вероятность которого равна Р.

Задачи Пример 2. В кинозале 16 рядов, в каждом ряду 32 места. Какое количество информации несет сообщение о том, что вам купили билет на 12 -й ряд, 10 -е место? Решение 1: в кинозале всего 16 · 32 = 512 мест. Сообщение о купленном билете однозначно определяет выбор одного из этих мест. Из уравнения 2 i = 512 = 29 получаем: i = 9 битов. Решение 2: сообщение о номере ряда несет 4 бита информации, так как 24 = 16. Сообщение о номере места несет 5 битов информации, так как 25 = 32 В целом сообщение про ряд и место несет: 4 + 5 = 9 битов информации.

КОДИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Что такое кодирование Кодирование – это процесс представления информации в виде последовательности условных обозначений. Кодом называют множество слов – последовательностей символов некоторого алфавита, используемых при кодировании информации. Кодирование происходит по определенным правилам. Правила кодирования зависят от назначения кода, т. е. от того, как и для чего он будет использоваться.

Способы кодирования Письменность – это способ кодирования устной речи на естественном языке. Письменный текст предназначен для передачи информации от одного человека к другим людям как в пространстве (письмо, записка), так и во времени (книги, дневники, архивы документов и пр. ). Правила, по которым люди осуществляют письменное кодирование информации, называют грамматикой языка (русского, английского, китайского и др. ), а человека, умеющего читать и писать, называют грамотным человеком. Запись речи – кодирование, а чтение письменного текста – это его декодирование.

Способы кодирования Код: Устная Кодирование – декодирование – Устная письменный речь запись текста чтение текста речь текст Процесс письменного обмена информацией между людьми Кодирование: Передача кода Декодирование: Письменный азбука Морзе, Морзе по перевод принятого Письменный работа с кода в форму текст телеграфным линии исходного текста текст телеграфной ключом связи Процесс передачи телеграфного сообщения с использованием азбуки Морзе

Кодирование текстовой информации

Кодирование текстовой информации Кодирование текста всегда происходит по следующему правилу: каждый символ алфавита исходного текста заменяется на комбинацию символов алфавита кодирования. Например, алфавит телеграфного кода Морзе содержит три символа: точка, тире, пропуск. Это троичный код. Для компьютерной обработки текста был принят стандарт (1963 г. ) ASCII – Американский стандартный код для информационного обмена. ASCII – семиразрядный двоичный код.

ASCII – Американский стандартный код для информационного обмена Код символа – это его порядковый номер в кодовой таблице, определяется номером строки и столбца. Он может быть представлен в двоичной и в шестнадцатеричной системах счисления. Код в памяти компьютера – семиразрядное двоичной число.

Кодировка ASCII . 0 . 1 . 2 . 3 . 4 . 5 . 6 . 7 . 8 . 9 . A . B . C . D . E . F 0. NUL SOH STX EOT ENQ ACK BEL BS TAB LF VT FF CR SO SI 1. DLE DC 1 DC 2 DC 3 DC 4 NAK SYN ETB CAN EM SUB ESC FS GS RS US 2. ! " # $ % & ' ( ) * + , — . / 3. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 : ; < = > ? 4. @ A B C D E F G H I J K L M N O 5. P Q R S T U V W X Y Z [ ] ^ _ 6. ` a b c d e f g h i j k l m n o 7. p q r s t u v w x y z { | } ~ DEL Код ASCII представлен в свернутой шестнадцатеричной форме. При развертывании в двоичную форму коды представляют собой семиразрядные целые двоичные числа в диапазоне от 00002=0016=0 до 11112=7 F 16=127. Всего с помощью этого кода представляются 27=128 символов.

Расширение кода ASCII Восьмиразрядная двоичная кодировка позволяет кодировать алфавит из 28=256 символов. Первая половина совпадает с ASCII. Вторая половина состоит из символов с кодами от 128=8016 =1000 00002 до 255=FF 16=11112 Эта часть таблицы кодировки называется кодовой страницей (СР – code page). На кодовой странице размещают нелатинские алфавиты, символы псевдографики и некоторые другие знаки, не входящие в первую половину.

16 -разрядный стандарт UNICODE В 1991 году был разработан 16 -разрядный международный стандарт символьного кодирования Unicode, который позволяет закодировать 216=65535 символов. В такую кодовую таблицу помещаются английский, русский, греческий алфавиты, китайские иероглифы, математические символы и многое другое. Диапазон кодов символов в шестнадцатеричной форме: от 0000 до FFFF. Разрабатываются новые стандарты на Unicode. К 2010 году сменилось 6 вариантов стандарта. Появилась возможность кодирования 1 112 064 символа. В настоящее время из этого количества реально используется около 107 тысяч кодов.

Кодирование графической информации

Кодирование изображения Изображение – это образ окружающего мира, воспринимаемый зрительной системой человека. Зрительная система воспринимает свет, отражаемый или излучаемый объектами наблюдения. При кодировании изображения в компьютерных технологиях осуществляется его пространственная дискретизация изображения и кодирование света, исходящего от каждого дискретного элемента изображения. Дискретизация изображения – это разделение изображения на конечное число элементов, в пределах каждого элемента оттенок цвета считают постоянным.

Кодирование изображения Пространственная сетка дискретных элементов, из которых строится изображение на экране монитора, называется растром. Сами дискретные элементы изображения на экране называются пикселями. Чем гуще сетка пикселей, тем выше качество изображения, тем меньше наши глаза замечают его дискретную структуру. Код изображения, выводимого на экран, - это последовательность двоичных кодов света, излучаемого всеми пикселями растра.

Кодирование монохромных оттенков Слово «монохромный» означает «одноцветный» . Имеется один фоновый цвет. Всё изображение получается с помощью оттенков этого фонового цвета, различающихся яркостью. Например, если фоновый цвет черный, то путем его постепенного просветления можно перейти через оттенки серого к белому цвету.

Кодирование монохромных оттенков Для цифрового кодирования цвета в компьютере используются положительные целые двоичные числа. Длина двоичного кода в битах называется битовой глубиной кодирования цвета.

Кодирование монохромных оттенков При дискретном цифровом кодировании непрерывный спектр оттенков базового цвета разбивается на целое число отрезков, в пределах каждого из которых яркость считается постоянной. Это называется дискретизацией спектра. Количество оттенков К и битовая глубина кодирования b связаны между собой по формуле: K=2 b.

Кодирование монохромных оттенков Дискретный рисунок и его код

Задачи Пример 4. Длина кода изображения равна 600 Кб, битовая глубина цвета – 16 битов. Какой размер растра используется для вывода изображения: 640 × 480 или 1024 × 768? Решение:

КОДИРОВАНИЕ ЗВУКА

Технология кодирования непрерывного сигнала Для сохранения изображения и звука в цифровом формате соответствующие непрерывные сигналы должны быть закодированы, т. е. представлены в виде дискретной последовательности нулей и единиц – двоичных цифр.

Технология кодирования непрерывного сигнала Прием непрерывного Преобразование Сохранение естественного в аналоговый цифрового электрический АЦП сигнала кода сигнал Преобразование непрерывного сигнала в цифровой код Процесс преобразования непрерывного электрического сигнала в дискретную цифровую форму называется аналого- цифровым преобразованием – АЦП.

Аналого-цифровое преобразование звука При записи звук в компьютер устройством, преобразующим звуковые волны в электрический сигнал, является микрофон. АЦП производит электронная схема, размещенная на звуковой плате (звуковой карте) компьютера, к которой подключается микрофон.

Аналого-цифровое преобразование звука Аналого-цифровое преобразование заключается в измерениях величины электрического сигнала через определенные промежутки времени и сохранение результатов измерений в цифровом формате в устройстве памяти.

Параметры АЦП Частота дискретизации: Н (Гц). Один герц соответствует одному измерению в секунду: 1 Гц=1 с-1. Чем выше частота дискретизации, тем более подробно числовой код будет отражать изменение амплитуды сигнала со временем.

Параметры АЦП Процесс дискретизации амплитуды звука называют квантованием звука. Количество уровней разбиения амплитуды сигнала можно назвать количеством уровней квантования звука. Битовая глубина кодирования – это длина двоичного кода, который будет представлять в памяти компьютера амплитуду сигнала.

Параметры АЦП Разрядность квантования: b (битов) Количество уровней квантования: K=2 b Длина цифрового кода: I=H·t·b. где t(c) – время записи звука.

Задачи Пример 5. В течение 10 секунд производилась запись звука в компьютер. Определить объем записанной информации, если частота дискретизации была равна 10 к. Гц, а разрядность квантования – 16 битов. Решение: Количество N произведенных измерений звукового сигнала при частоте дискретизации Н(Гц) за время t вычисляется по формуле: N=H·t. N=10000· 10=100 000 измерений. 16 битов = 2 байта. I=100 000 · 2=200 000 байтов=195, 3125 Кб. Ответ: I=195, 3125 Кб.