Лекция 1. «Теоретические основы информатики»

1. Основные понятия и методы теории информатики.

2. Общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки и передачи данных.

3. Измерение информации. Вероятностный подход к измерению информации. Количество и единицы измерения информации;

Кодирование информации;

4. Позиционные системы счисления

5. Логические основы компьютера.

 

 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ

 

Термин " информатика " возник в 60-х гг. во Франции для названия области науки и техники, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин. Французский термин " informatique " (информатика) образован путем слияния слов informa tion (информация) и automa tique (автоматика) и означает "информационная автоматика" или "автоматизированная переработка информации".

В англоязычных странах этому термину соответствует синоним " computer science " (наука о компьютерной технике и информационных технологиях).

В нашей стране подобная трактовка термина "информатика" утвердилась с момента принятия решения в 1983 г. на сессии годичного собрания Академии наук СССР об организации нового отделения "Информатики, вычислительной техники и автоматизации". Информатика трактовалась как "комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основанных на ЭВМ систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной практики".

Выделение информатики как самостоятельной области человеческой деятельности в первую очередь связано с развитием компьютерной техники. Информатика, как наука, нацелена на разработку общих методологических принципов построения информационных моделей. Поэтому методы информатики применимы всюду, где существует возможность информационного описания объекта, процесса, явления и т.п. Существует множество определений информатики, что связано с многогранностью ее функций, возможностей, средств и методов. Обобщая опубликованные в литературе по информатике определения этого термина, предлагаем следующую трактовку:

 

Информатика – это фундаментальная естественнонаучная дисциплина, изучающая теоретические и практические аспекты процессов сбора, хранения, обработки и передачи информации.

 

Часто возникает путаница в понятиях " информатика " и " кибернетика ". Основная концепция кибернетики, заложенная основоположником – американским ученым Норбертом Винером, состоит в "универсальности общих принципов управления и связей в различных динамических системах: технических, биологических, социальных и др.". Поскольку управление невозможно без получения, сохранения, обработки и передачи информации, то информатика представляет собой часть более общей науки – кибернетики.

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, ориентированных на разработку информационных технологий и создание технического обеспечения, главным образом, компьютерной техники и телекоммуникационных средств связи, обеспечивающих эффективную работу с информацией во всех сферах человеческой деятельности.

Информатику в узком смысле можно представить как науку, состоящую из трех взаимосвязанных частей:

· алгоритмические средства (brainware);

· программные средства (software);

· технические средства (hardware).

Главная функция информатики заключается в разработке методов и средств преобразования информации и их использовании в организации технического процесса переработки информации

Задачи информатики состоят в следующем:

- использование 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.

Понятие " информация " (от латинского слова informatio – разъяснение, пояснение) является ключевым понятием информатики.

Первоначально под информацией понимались сведения, передаваемые людьми устным, письменным и любыми другими способами.

В наши дни понятие информации стоит в одном ряду с такими фундаментальными понятиями современной науки, как: материя, энергия, сила, множество, точка, линия, плоскость и т.п., которые не могут быть определены через более простые понятия, т.к. они сами являются аксиоматическим понятиями, осознаваемые на интуитивном уровне.

Анализ опубликованных работ по информатике показывает, что общепринятой трактовки крайне дискуссионного понятия "информация" на сегодняшний день пока не существует и, скорее всего, еще долго не будет существовать в силу сложности и многообразия проявлений этого феномена природы (например, зарождение и развитие живого организма, когда из биологически однородной массы формируются неоднородные внутренние и внешние органы, а также всплеск рождаемости со значительным перевесом младенцев-мальчиков во время кровопролитных войн).

Под информацией в быту (житейский аспект) понимают сведения, которые интересны, необходимы и доступны для понимания потребителю. Устранение хотя бы одного из этих атрибутов сразу лишает их в глазах потребителя информативности (например, "развлекательное" чтение на досуге справочника движения поездов дальнего следования или прослушивание лекции на китайском языке).

Под информацией в технике (технический аспект) понимают любой сигнал, прошедший по каналу связи

 

Под информацией в теории информации (информологический аспект) понимают сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.. (иначе говоря, информация – это устраненная неопределенность).

Под информацией в кибернетике (кибернетический аспект) понимают сведения, которые могут быть использованы для ориентирования и принятия правильного управленческого решения в целях сохранения, совершенствования и развития системы.

Под информацией в семантике (семантический аспект) понимают сведения, обладающие новизной.

Однако, с методологической точки зрения при изучении информатики наиболее всеобъемлющим "определением" информации следует считать ее общенаучную трактовку (философский аспект):

 

Под информацией понимается способность объектов, процессов и явлений живой и неживой природы порождать многообразие различных состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатлеваются в том или ином виде в его структуре.

Одной из важнейших разновидностей информации является экономическая. Ее отличительная черта связь с процессами управления большими коллективами людей, организациями, предприятиями и другими экономическими структурами

Экономическая информация – совокупность сведений, отражающих социально-экономические процессы и служащих для управления этими процессами и коллективами людей в производственной и не производственной сферах

Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие данные. Посмотрим в чем их отличие

Рассмотрим пример

Напишите на листе десять номеров телефонов в виде последовательности чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет эти цифры как данные, так как они не предоставляют ему никаких сведеней. Затем протиф каждого номера укажите название фирмы и род деятельности. Для вашего друга непонятные цифры обретут определенность и превратятся из данных в информацию, которую он в дальнейшем мог бы использовать

Данные - это материальные объекты произвольной формы, выступающие в качестве средства представления информации.

Преобразование и обработка данных позволяют извлечь информацию, т.е. знания о том или ином предмете, процессе или явлении. Отсюда следует, что одни и те же данные могут нести различную информацию для разных потребителей. Так, данные об анатомическом строении человека несут различну информацию для портного (количество необходимого материала для одежды, …), для врача (отклонение от норм в пропорциях фигуры и возможные причины этого), для спортивного тренера……….

Современная наука утверждает, что мы живем в окружении трех основных полей: энергетическое поле, которое включает в себя все известные виды энергии (механическую, тепловую, электрическую, атомную и др.), гравитационное поле, а также информационное поле, к понимаю существования которого пришли совсем недавно. То как воздействуют на человека первые два поля нам хорошо известно из повседневной жизни. Информационное же поле воздействуют на человека через свои информационные потоки, к числу которых можно отнести следующие основные потоки:

· вербальный поток (письменные и устные слова);

· сенсорный поток, воспринимаемый органами чувств (зрение, слух, вкус, обоняние и осязание);

· структурный поток, компонентами которого являются вещества, находящиеся в различных фазовых состояниях (твердые, жидкие и газообразные тела, а также плазма).

Сбор, хранение, обработка и передача информации присущи живой и неживой природе, человеку, обществу, техническим устройствам. В системах различной природы такие действия с информацией в своей основе одинаковы и называются информационными процессами:

· прием-передача информации между автоматическими устройствами выполняется с использованием технических средств связи. Ретрансляционная вышка передает информацию, которую воспринимает блок приема радиоприемника. DWD проигрыватель передает информацию с диска на экран телевизора. При обмене информацией нужны источник информации и приемник информации. Передаваемая от источника информация достигает приемника с помощью последовательности сигналов, которые могут быть звуковыми, электрическими, электромагнитными и т.д.;

· устройства хранения информации: диск, флешка, кинолента и др. называются носителями информации. Носитель информации может быть разной природы: механический, магнитный, электрический, оптический. Носители информации различаются по форме представления информации, по принципу считывания, по типам материала. Информация на носителях запоминается в виде сигналов или знаков;

· обработка информации означает преобразование информации из одного вида в другой, осуществляемое по строгим формальным правилам. Обработка информации по принципу "черного ящика" – процесс, в котором пользователю важна и необходима лишь входная и выходная информация, но правила, по которым происходит преобразование, его не интересуют и не принимаются во внимание. Кроме этого, автоматизированная обработка не подразумевает осмысления потребителем информации на этапе ее обработки.

Информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации к ее приемнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приемнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением.

 

Приемник

Канал связи

 

 

Информация может существовать и участвовать в информационных процессах в самых разнообразных формах, например в виде:

· текстов, чисел;

· рисунков, чертежей, фотографий;

· световых и звуковых сигналов или радиоволн;

· электрических и нервных импульсов;

· магнитных и оптических записей;

· жестов, мимики;

· запахов и вкусовых ощущений;

· химических соединений.

Важно понимать, что информация в "чистом" виде не существует, хотя это дружно отрицают служители и адепты различных конфессий, а также различные экстрасенсы.

В информационных процессах для каждого вида информации обязательно используются соответствующий носитель и подходящая система кодирования информации. Так, например, текстовая информация кодируется с помощью букв национальных алфавитов, числовая информация – с помощью арабских или римских цифр, голосовая информация – с помощью фонетических звуков, музыкальная информация – с помощью нотной записи и т.д. Любая система кодирования преследует своей целью не скрытие информации (в отличие от систем шифрования информации), а наоборот – предоставление ее потребителю в наиболее удобном для потребления виде.

С понятием информации тесно связаны следующие понятия:

Сигнал – это любой процесс, несущий информацию.

Сообщение – это информация, представленная в определенной форме и предназначенная для передачи.

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

К числу основных качественных признаков(свойства информации) информации относятся следующие:

Адекватность – достижение нужного уровня соответствия модели (образа) реальному объекту, процессу или явлению.

Актуальность – важность, существенность для настоящего момента.

Достоверность – отражение истинного положения дел.

Объективность – независимость от чьего-либо мнения.

Полнота – достаточность для понимания и принятия решения.

Доступность информации – мера возможности получить ту или иную информацию

Для определения количественных мер информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных V_д.

Объем данных V_{д .} в сообщении измеряется количеством символов (разрядов). Единица измерения зависит от системы счисления

Количество информации I в сообщении об объекте, который может находиться в одном из равновероят ных E состояний, определяют по формуле Хартли

: I=log₂E

Наиболее убедительный ответ на этот вопрос был дан американским инженером-связистом и ученым Клодом Шенноном в 1948 г. С этого времени началось интенсивное развитие теории информации вообще и углубленное исследование вопроса об измерении ее количества в системах телекоммуникации в частности.

Формула Шеннона: I = - = .

Здесь: I – количество информации, получаемое в результате проведения опыта; N – общее количество исходов в опыте; p_i – вероятность i-го исхода.

Если вероятности всех исходов в опыте равны p₁ = p₂ =... = p_n = 1/N (бросание монеты, игрального кубика, вытаскивание карты из колоды и т.п.), то формула Шеннона превращается в формулу Хартли (1928 г.): I = log₂N.

Предположим, что требуется угадать одно число из набора чисел от единицы до десяти, тогда по формуле Шеннона (Хартли) сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное I = log₂10» 3,322 единицы информации.

 

За единицу информации 1 бит (bi nary digi t – двоичная единица) принимается количество информации, получаемое в результате проведения опыта, состоящего в выборе одного из двух равновероятных исходов.

 

Таким образом, количество информации объемом в 1 бит достаточно для кодирования (распознавания) двух различных состояний: "Включено / Выключено", "Истина / Ложь", "Да / Нет", "0 / 1" и т.п. В общем случае количество информации объемом в N бит позволяет кодировать 2^N различных состояний.

Бит является основной, фундаментальной единицей измерения информации. Его можно считать "информационным атомом". На практике чаще применяется более крупная единица измерения – байт (1 байт = 8 бит), а также производные от него единицы измерения информации:

 

1 Кбайт	= 1024 байт	= 2^10 байт	= 1 024 байт	= 8 192 бит;
1 Мбайт	= 1024 Кбайт	= 2^20 байт	= 1 048 576 байт	= 8 388 608 бит;
1 Гбайт	= 1024 Мбайт	= 2^30 байт	= 1 073 741 824 байт	= 8 589 934 592 бит;
1 Тбайт	= 1024 Гбайт	= 2^40 байт	= 1 099 511 627 776 байт	= 8 796 093 022 208 бит;
1 Пбайт	= 1024 Тбайт	= 2^50 байт	= 1 125 899 906 842 620 байт	= 9 007 199 254 740 990 бит.

 

При этом важно отличать двоичные кратные приставки от соответствующих десятичных: "один К" – 1 К=2¹⁰=1024 от "один кило" – 10³=1000, "один М" – 1 М=2²⁰=1048576 от "один мега" – 10⁶=1000000 и т.д. Этим часто злоупотребляют производители компьютерной техники, в частности, производители жестких магнитных дисков, которые при указании их информативной емкости используют меньшую единицу измерения с тем, чтобы результирующее значение выражалось бóльшим числом (как в известном мультфильме – "А в попугаях-то я длиннее!").

Очевидно, что универсального способа измерения количества информации без учета аспекта такого измерения не существует (например, сколько содержится информации в тексте литературного, музыкального, скульптурного или художественного произведения – однозначного ответа получить нельзя).

Однако, важнейшим результатом теории информации является вывод: в определенных условиях можно пренебречь качественными особенностями информации и выразить ее количество числом, а также сравнить количество информации, содержащейся в различных группах данных.

Обработка является одной из основных операций, выполняемых над информацией, и главным средством увеличения объема и разнообразия информации. Средства обработки информации – это всевозможные устройства и системы, созданные человеком. В первую очередь, это компьютер – универсальная машина, обрабатывающая информацию путем выполнения определенных алгоритмов

Во время информационного процесса данные преобразовываются из одного вида в другого с помощью методов. Обработка данных включает в себя множество разных операций. Основными операциями есть:

• сбор данных - накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решения;
• формализация данных - приведение данных, которые поступают из разных источников к единой форме;
• фильтрация данных - устранение лишних данных, которые не нужны для принятия решений;
• сортировка данных - приведение в порядок данных за заданным признаком с целью удобства использования;
• архивация данных - сохранение данных в удобной и доступной форме;
• защита данных - комплекс мер, направленных на предотвращение потерь, воспроизведения и модификации данных;
• транспортирование данных - прием и передача данных между отдаленными пользователями информационного процесса. Источник данных принят называть сервером, а потребителя - клиентом;
• преобразование данных - преобразование данных с одной формы в другую, или с одной структуры в другую, или изменение типа носителя.

Информационная система

В информатике понятие "система" чаще используют относительно набора технических средств и программ. Системой называют также аппаратную часть компьютера. Дополнение понятия "система" словом "информационная" отображает цель ее создания и функционирования.

Информационная система - взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемая для сохранения, обработки и выдачи информации с целью решения конкретной задачи.

Современное понимание информационной системы предусматривает использование компьютера как основного технического средства обработки информации. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом информационной системы.

В работе информационной системы можно выделить следующие этапы:

1. Зарождение данных - формирование первичных сообщений, которые фиксируют результаты определенных операций, свойства объектов и субъектов управления, параметры процессов, содержание нормативных и юридических актов и т.п..
2. Накопление и систематизация данных - организация такого их размещения, которое обеспечивало бы быстрый поиск и отбор нужных сведений, методическое обновление данных, защита их от искажений, потери, деформирование целостности и др.
3. Обработка данных - процессы, в следствии которых на основании прежде накопленных данных формируются новые виды данных: обобщающие, аналитические, рекомендательные, прогнозные. Производные данные тоже можно обрабатывать, получая более обобщенные сведения.
4. Отображение данных - представление их в форме, пригодной для восприятия человеком. Прежде всего - это вывод на печать, то есть создание документов на так называемых твердых (бумажных) носителях. Широко используют построение графических иллюстративных материалов (графиков, диаграмм) и формирование звуковых сигналов.

Сообщения, которые формируются на первом этапе, могут быть обычным бумажным документом, сообщением в "машинном виде" или тем и другим одновременно. В современных информационных системах сообщения массового характера большей частью имеют "машинный вид". Аппаратура, которая используется при этом, имеет название средства регистрации первичной информации.

Потребности второго и третьего этапов удовлетворяются в современных информационных системах в основном средствами вычислительной техники. Средства, которые обеспечивают доступность информации для человека, то есть средства отображения данных, являются компонентами вычислительной техники.

Подавляющее большинство информационных систем работает в режиме диалога с пользователем. Типичные программные компоненты информационных систем включают: диалоговую подсистему ввода-вывода, подсистему, которая реализует логику диалога, подсистему прикладной логики обработки данных, подсистему логики управления данными. Для сетевых информационных систем важным элементом является коммуникационный сервис, обеспечивающий взаимодействие узлов сети при общем решении задачи. Значительная часть функциональных возможностей информационных систем закладывается в системном программном обеспечении: операционных системах, системных библиотеках и конструкциях инструментальных средств разработки. Кроме программной составной информационных систем важную роль играет информационная составная, которая задает структуру, атрибутику и типы данных, а также тесно связана с логикой управления данными.

Информационные технологии

В широком смысле слово технология - это способ освоения человеком материального мира с помощью социально организованной деятельности, которая включает три компоненты: информационную (научные принципы и обоснование), материальную (орудие работы) и социальную (специалисты, имеющие профессиональные навыки). Эта триада составляет сущность современного понимания понятия технологии.

Понятие информационной технологии появилось с возникновением информационного общества, основой социальной динамики в котором являются не традиционные материальные, а информационные ресурсы: знания, наука, организационные факторы, интеллектуальные способности, инициатива, творчество и т.д. К сожалению, это понятие настолько общее и всеохватывающее, что до сих пор специалисты не пришли к четкой, формализованной формулировке. Наиболее удачным определением понятия информационной технологии дано академиком Глушковым В.М., который трактовал ее как человеко-машинную технологию сбора, обработки и передачи информации, которая грунтується на использовании вычислительной техники. Эта технология быстро развивается, охватывая все виды общественной деятельности: производство, управление, науку, образование, финансово-банковские операции, медицину, быт и др.