Информатика и программное обеспечение ПЭВМ

Лекция 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ

1.1 Понятие, содержание, объект и предмет информатики

1.2 Задачи, роль и место курса информатики в подготовке

специалистов

1.3 Информатизация общества

1.4 Информация и ее свойства

1.4.1 Информация и данные

1.4.2 Меры информации

1.4.2.1 Синтаксическая мера информации

1.4.2.2 Семантическая мера информации

1.4.2.3 Прагматическая мера информации

1.4.3 Качество информации

1.5 Кодирование сигналов

1.5.1 Основные виды и способы обработки и кодирования данных

1.5.2 Кодирование текста

1.5.3 Два способа кодирования изображения

1.5.4 Кодирование звука

1.5.5 Цифровое кодирование

1.5.5.1 Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией

1.5.5.2 Потенциальный код с инверсией при единице

1.5.5.3 Биполярный импульсный код

1.5.5.4 Манчестерский код

1.5.6 Обработка аналоговой и цифровой информации

1.5.7 Модуляция сигналов

1.6 Структура и закономерности протекания информационных

процессов

1.6.1 Информационная система

1.6.2 Процесс сбора информации

1.6.3 Процесс передачи информации

1.6.4 Обработка информации

1.6.5 Хранение информации

1.6.6 Системы хранения данных

1.7 Правовые аспекты информационных технологий

1.7.1 Информация, информационные процессы и системы как объект правового регулирования общественных отношений

1.7.1.1 Принципы информационного права

1.7.1.2 Методы информационного права

1.7.2. Информационное законодательство в сфере

информационных технологий

1.8 Основы защиты информации

1.8.1 Основные понятия, актуальность и основные проблемы

защиты информации современных информационных

систем

1.8.2 Классификация угроз современным системам обработки

информации

1.8.3 Классификация способов и средств защиты информации Лекция 2 АРХИТЕКТУРА ЭВМ

2.1 Арифметические и логические основы ЭВМ

2.1.1 Представление данных в ЭВМ

2.1.1.1 Представление команд в ЭВМ

2.1.2 Системы счисления

2.1.2.1 Десятичная система счисления

2.1.2.2 Двоичная система счисления

2.1.2.3 Восьмеричная система счисления

2.1.2.4 Шестнадцатеричная система счисления

2.1.3 Элементы математической логики

2.1.4 Методы перевода чисел из одной системы счисления

в другую

2.1.4.1 Метод прямого замещения

2.1.4.2 Метод деления

2.1.4.3 Метод умножения

2.2 Структурная схема ПЭВМ

2.2.1 Состав и технические характеристики ПЭВМ

2.2.1.1 Понятие архитектуры

2.2.1.2 Структура компьютера

2.2.2 Состав и назначение основных блоков и узлов ПЭВМ

2.2.2.1 Назначение основных устройств ЭВМ

2.2.3 Внутри машинный системный интерфейс

2.2.4 Функциональные характеристики ПЭВМ

2.3 Микропроцессоры

2.3.1 Типы и структура микропроцессоров

2.3.1.1 Основные характеристики МП

2.3.1.2 Типовая структура микропроцессора

2.3.1.3 Программно-логическая модель центрального

процессора

2.3.1.4 Особенности процессоров фирмы Intel

2.4 Запоминающие устройства

2.4.1 Организация оперативной памяти

2.4.1.1 Организация доступа памяти в Intel-совместимых

процессорах

2.4.1.2 Области памяти IBM совместимых персональных

компьютеров

2.4.1.3 Общая характеристика способов реализации запоминающих

устройств

2.4.2 Регистровая КЭШ — память

2.4.3 Внешняя память

2.4.3.1 Классификация внешних запоминающих устройств

2.4.3.2 Накопители на гибких магнитных дисках

2.4.3.3 Правила обращения с дисками

2.4.3.4 Накопители на жестких магнитных дисках

2.4.3.5 Накопители на оптических дисках

2.4.3.6 Накопители на магнитной ленте Лекция 3. Программное обеспечение ПЭВМ

3.1 Общая характеристика и состав программного

обеспечения

3.1.1 Состав и назначение программного обеспечения

3.1.1.1 Классификация программного обеспечения

3.1.2 Система программирования

3.1.2.1 Языки программирования

3.1.3 Прикладное программирование

3.2 Операционные системы

3.2.1 Общие сведения об операционных системах

3.2.2 Состав и структура операционной системы MS-DOS

3.3 Операционная система MS-DOS

3.3.1 Логическая структура дисков

3.3.1.1 Логическая структура гибкого магнитного диска

3.3.1.2 Логическая структура жесткого магнитного диска

3.3.2 Начальная загрузка MS-DOS

3.3.3 Файловая система MS-DOS

3.3.3.1 Файлы

3.3.3.2 Каталоги

3.3.3.3 Путь и приглашение

3.4 Сервисное программное обеспечение

3.4.1 Характеристика компьютерных вирусов

3.4.2 Способы распространения и структура компьютерных вирусов

3.4.2.1 Файловые вирусы

3.4.2.2 Загрузочные вирусы

3.4.3 Программы обнаружения и защиты от компьютерных вирусов

3.4.4 Общие сведения об архивации файлов

3.5 Операционная система Windows

3.5.1 Общие сведения об операционной системе Windows

3.5.2 Концепция виртуальных машин

3.5.3 Архитектура файловой системы

3.5.4 Интерфейс прикладного программирования(Windows API)

3.5.5 Компоненты подсистемы Plug and Play

Список используемых сокращений

АИС автоматизированная информационная система;

АМ амплитудная модуляция;

АРМ автоматизированное рабочее место;

АСОД автоматизированная система обработки данных;

АЦП аналого-цифровой преобразователь;

БЗ база знаний;

ДИ декодер информации;

ИБ информационная безопасность;

ИВЦ информационно-вычислительный центр;

ИВЦКП информационно-вычислительный центр коллективного

пользования;

ИКТ информационные и коммуникационные технологии;

ИП информационный процесс;

ИР информационные ресурсы;

ИС информационная система

ИТ информационная технология;

ИТКС информационная телекоммуникационная система;

КИ кодер источника;

КС канал связи;

ЛВС локальная вычислительная сеть;

МККТТ Международный консультационный комитет по

телеграфии и телефонии;

МП микропроцессор;

МСЭ Международный совет электросвязи;

НГМД накопитель на гибком магнитном диске;

НЖМД накопитель на жестком магнитном диске;

ОС операционная система;

ОУ объект управления;

ПРД передатчик;

ПРМ приемник;

ПЭВМ персональная электронная вычислительная машина;

СВТ средства вычислительной техники;

СИБ система информационной безопасности;

СМИ средства массовой информации;

СУБД система управления базами данных;

СХД система хранения данных;

ТСОИ технические средства обработки информации;

ФЗ Федеральный закон;

ФМ фазовая модуляция;

ФСО — Федеральная служба охраны;

ФСБ Федеральная служба безопасности;

ЦАП цифроаналоговый преобразователь;

ЧМ частотная модуляция;

ЭВМ электронная вычислительная машина;

ЭВТ электронная вычислительная техника;

ЭЦП — электронная цифровая подпись;

AMI метод биполярного кодирования с альтернативной

инверсией;

ASCII American Standard Code of Information Interchange

(американский стандартный код обмена

информацией);

IBM International Business Machine Corp;

FC fiber channel;

HBA host bus adapter;

PIT point-in-time;

PC personal computer (персональный компьютер);

SAN storage area network.

ЛЕКЦИЯ 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ИНФОРМАТИКИ

1.1 Понятие, содержание, объект и предмет информатики Термин «информатика» начал использоваться в отечественной научно-технической литературе в начале 80-х гг. и быстро приобрел широкую популярность. Первоначально он зародился во Франции в середине 60-х гг. ХХ в. (от фр. informatique) и применяется в странах Европы для обозначения области научных знаний, связанных с автоматизацией обработки информации с помощью электронных вычислительных машин (ЭВМ). В англоязычных странах для этой цели используется термин «computer science» (вычислительная наука).

Выделение информатики как самостоятельной области человеческой деятельности в первую очередь связано с развитием компьютерной техники, причем основная заслуга в этом принадлежит микропроцессорной технике, появление которой в середине 70-х гг. послужило началом второй электронной революции. С этого времени элементной базой вычислительной машины становятся интегральные схемы и микропроцессоры, а область, связанная с созданием и использованием компьютеров, получила мощный импульс в своем развитии.

В 1978 г. международный научный конгресс официально закрепил за понятием «информатика» направления, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации, т. е. массовое внедрение компьютерной техники во все области жизни людей.

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 основанная на использовании компьютерной техники дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы ее создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности.

Часто возникает путаница понятий «информатика» и «кибернетика». Попытаемся разъяснить их сходство и различие.

Кибернетика — это наука об общих принципах управления в различных системах: технических, биологических, социальных и др.

Информатика занимается изучением процессов преобразования и создания новой информации более широко, практически не решая задачи управления различными объектами, как кибернетика. Информатика появилась благодаря развитию компьютерной техники, базируется на ней и совершенно немыслима без нее. Кибернетика развивается сама по себе и, активно используя достижения компьютерной техники, совершенно от нее не зависит, так как строит различные модели управления объектами.

Информатика — научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения:

в разработке вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;

теории информации, изучающей процессы, связанные с передачей, приемом, преобразованием и хранением информации;

методах искусственного интеллекта, позволяющих создавать программы для решения задач, требующих определенных интеллектуальных усилий при выполнении их человеком (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);

системном анализе, заключающемся в анализе назначения проектируемой системы и в установлении требований, которым она должна отвечать;

методах машинной графики, анимации, средствах мульти-медиа;

средствах телекоммуникации, в том числе глобальных компьютерных сетях, объединяющих все человечество в единое информационное сообщество;

разнообразных приложениях, охватывающих производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Информатику представляют состоящей из трех частей: технические, программные и алгоритмические средства.

Технические средства, т. е. аппаратура компьютеров, в английском языке обозначаются словом Hardware, которое буквально переводится как «твердые изделия» .

Для программных средств выбрано (а точнее, создано) слово Software (буквально — «мягкие изделия»), подчеркивающее равнозначность программного обеспечения и самой машины и способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться, развиваться.

Программное обеспечение — это совокупность всех программ, используемых компьютерами, а также вся область деятельности по их созданию и применению.

Алгоритмические средства российский академик А. А. Дородницин предложил называть Brainware (от англ. brain — интеллект). Эта часть информатики связана с разработкой алгоритмов и изучением методов и приемов их построения. Нельзя приступить к программированию, не разработав предварительно алгоритм решения задачи.

В Академии ФСО России дисциплина «Информатика» предназначена для подготовки специалистов по направлению «Информатика и вычислительная техника» и является одной из основных дисциплин естественнонаучного цикла. Это теоретический базис, основа для подготовки специалиста, умеющего решать задачи профессиональной деятельности в области автоматизированных систем обработки информации и управления. Освоение учебного материала дисциплины базируется на общей физико-математической подготовке обучаемых, знаниях основ информатики, иностранного языка; умениях использовать математические методы при формализации и решении прикладных задач.

Такие знания и умения обучаемые приобретают при изучении дисциплин «Физика», «Высшая математика», «Информатика» (в объеме средней школы) и соответствующих дисциплин вуза.

Дисциплина содержит материал, необходимый для изучения информации, как основного объекта государственно-правового регулирования деятельности должностных лиц в различных сферах и видах деятельности, в том числе органов государственной власти и местного самоуправления. Она носит теоретико-прикладную направленность. Ее содержание включает как фундаментальные знания информационной науки, так и основные вопросы практического использования новых информационных технологий, в основе которых лежит применение ЭВМ, систем и сетей ЭВМ.

Объектом информатики выступают автоматизированные, основанные на ЭВМ и телекоммуникационной технике, информационные системы различного класса и назначения. Рассматриваются все стороны их разработки, проектирования, создания, анализа и использования на практике.

Предмет информатики как науки составляют аппаратное и программное обеспечение средств вычислительной техники, средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения, средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Средства взаимодействия в информатике принято называть интерфейсом, поэтому средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения называют также программно-аппаратным интерфейсом, а средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами — интерфейсом пользователя.

1. 2 Задачи, роль и место курса информатики в подготовке специалистов Цели изучения дисциплины:

1. Подготовка выпускника к деятельности в территориальных органах и подразделениях связи специального назначения Службы специальной связи и информации ФСО РФ на инженерных и командных должностях на базе полученных в соответствии со специальностью, знаний, умений и навыков в области автоматизированных систем обработки информации и управления.

2. Развитие у подготавливаемых специалистов основ информационного мышления и культуры, адекватных современному уровню развития информационной науки и новым информационным технологиям.

3. Формирование знаний и умения использовать естественно-научные знания информатики и математики, необходимые для выполнения служебной деятельности в различных сферах развивающегося информационного общества: социально-правовой, информационной, обеспечения информационной безопасности личности, общества и государства, защиты конфиденциальной информации и сведений, составляющих государственную, коммерческую и другие виды тайны; постановки информационных задач, моделирования и анализа информации; осуществления дальнейшего профессионального самообразования в области информатики и математики.

Задачи изучения дисциплины:

Создание научных представлений об информатике как особом способе познания мира, об их месте и роли в общей системе социально-экономических, гуманитарных, естественнонаучных, общепрофессиональных и специальных дисциплин.

Развитие информационной культуры, в которой рассматриваются основные положения информатизации общества, понятия информации, ее свойств, характеристик, современных информационных технологий.

Ознакомление с научно-методологической, методической, понятийной основами информатики, а также с особенностями использования в изучении и исследовании правовых учений, процессов, общественных отношений.

Изучение концептуальных взглядов, направлений, проблем, перспектив развития информатики.

Изучение современных принципов, методов и средств сбора, обработки, передачи, хранения и переработки информации, в том числе правовой.

Изучение методических и практических проблем технологии автоматизации видов и сфер государственно-правовой деятельности и связанных с ними процессов обработки информации.

7. Приобретение необходимых знаний в области алгоритмизации и программирования задач профессиональной деятельности.

8. Получение знаний устройства и основных принципов работы персонального компьютера как основного инструмента по обработке информации.

9. Овладение умениями использования и работы с современными информационными технологиями, а также со стандартным и специализированным программным обеспечением:

? привитие умения эффективного использования персональных компьютеров в правореализационной и правотворческой деятельности;

? формирование адаптивности специалиста к непрерывному изучению основных видов и средств представления и обработки информации;

? приобретение знаний об организации внедрения, методах и способах использования новых информационных технологий для повышения эффективности государственной деятельности;

? изучение базовых понятий, положений, современных проблем и направлений обеспечения информационной безопасности личности, общества и государства и информационных систем;

? привитие навыков информационного мышления при решении задач оперативно-служебной деятельности;

? раскрытие содержания общих понятий о численной реализации задач с целевыми функциями на персональных компьютерах.

В результате изучения дисциплины «Информатика» специалисты должны соответствовать государственным требованиям к минимуму содержания и уровню подготовки специалиста, а также дополнениям к государственным требованиям к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника Академии ФСО России.

В результате изучения дисциплины «Информатика» курсанты должны

знать:

— характеристики и архитектуру основных классов ЭВМ;

— структуру, технические характеристики и особенности построения основных устройств современных ЭВМ;

— принципы алгоритмизации, технологию разработки программ решения информационных и вычислительных задач с помощью ЭВМ;

— один из языков программирования высокого уровня (Turbo Pascal);

— назначение и возможности текстовых и табличных процессоров, интегрированных программных средств;

— назначение, принцип построения и возможности систем управления базами данных (СУБД);

— назначение и возможности операционных систем и системного программирования;

уметь:

— работать с операционной системой (ОС) и ее оболочками;

— составлять программу обработки информации;

— формализовать прикладную задачу и разработать алгоритм ее решения на ЭВМ;

— работать с текстовыми и табличными процессорами и СУБД;

— работать с пакетами прикладных программ специального назначения;

— организовывать грамотную эксплуатацию вычислительной техники;

иметь представление:

— о современной технологии программирования сложных систем обработки информации;

— способах защиты информации, обрабатываемой на ЭВМ, от несанкционированного доступа, копирования, уничтожения, а также основных способах борьбы с компьютерными вирусами.

Роль информатики в развитии общества чрезвычайно велика. С ней связано начало революции в области накопления, передачи и обработки информации. Эта революция, следующая за революциями в области овладения веществом и энергией, затрагивает и коренным образом преобразует не только сферу материального производства, но и интеллектуальную, духовную сферы жизни.

Рост производства компьютерной техники, развитие информационных сетей, создание новых информационных технологий приводят к значительным изменениям во всех сферах общества: производстве, науке, образовании, медицине и т. д.

1.3 Информатизация общества В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций — преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Их следствием явилось приобретение человеческим обществом нового качества.

Первая революция произошла с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколению.

Вторая (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, радикально изменившим индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Третья (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря чему появились телеграф, телефон, радио (1895 г.), позволяющие оперативно передавать информацию.

Четвертая (70-е гг. XX в.) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:

Переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным.

Миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин.

Создание программно-управляемых устройств и процессов.

Для создания более целостного представления об этом периоде целесообразно познакомиться с приведенной ниже справкой о смене поколений ЭВМ и сопоставить эти сведения с этапами развития в области обработки и передачи информации (табл. 1.1).

История зарождения и развития вычислительной техники довольно коротка. Ее принято исчислять с 1833 г., когда английский математик Чарльз Беббидж впервые проникся идеей создания механического «вычислительного помощника», в котором используется принцип программного управления. Потребовалось более 100 лет, чтобы эта идея, обогащенная американским математиком Дж. фон Нейманом в 1945;1947 гг., положила начало эры ЭВМ, базирующихся на появившихся к тому времени электронных лампах.

Первая быстродействующая ЭВМ ЭНИАК, созданная американскими специалистами в Пенсильванском университете, состояла из 18 тыс. электронных ламп, потребляла более 100 кВт электроэнергии, весила 30 т и занимала комнату длиной 30 м. Машина была специализированной и предназначалась для решения дифференциальных уравнений в задачах расчета траекторий. С момента создания в 1947 г. первой программно-управляемой цифровой ЭВМ начался бурный прогресс вычислительной техники.

Таблица 1.1Справка о смене поколений ЭВМ

Совершенствование элементной базы привело к существенному уменьшению размеров, стоимости и энергопотребления, а также к повышению быстродействия и надежности ЭВМ. Эволюция архитектурных решений способствовала успешному росту последних двух показателей. Большие успехи были достигнуты также в области периферийного оборудования, что существенно облегчило общение пользователей ЭВМ.

В 1982 г. Х. Тунг и А. Гупта провели сравнение, иллюстрирующее высокие темпы развития средств вычислительной техники (СВТ): «Если бы за последние 25 лет авиационная промышленность развивалась столь же стремительно, как и вычислительная техника, то „Боинг-767“ можно было бы приобрести сегодня за 500 долл. и облететь на нем земной шар за 20 минут, израсходовав при этом 19 литров горючего». С тех пор скорость вычислений возросла в 20 раз, а размеры и энергопотребление ЭВМ стали в 10 000 раз меньше, чем у машин сравниваемой производительности 25-летней давности. В последние годы отмеченные тенденции не только сохранились, но и усилились. Исходя из этого вполне закономерным явилось появление микропроцессоров (МП) и создание на их основе микроЭВМ, венцом которых стали ПЭВМ. Первая персональная машина была сконструирована американской фирмой MITS в 1975 г. и названа Altair 8800. По сегодняшним меркам она, ощетинившаяся индикаторными лампочками и переключателями, выглядит довольно странно. Цена ее составляла около 6 000 долл. Эта машина давно уже не выпускается.

Следующая ПЭВМ была создана в буквальном смысле в гараже двумя американцами С. Возняком и С. Джобсоном в 1976 г. Она получила название Apple-I. Весной 1977 г. ими же был изготовлен относительно дешевый и вместе с тем вполне законченный персональный компьютер Apple-II. В результате домашняя мастерская превратилась в процветающую фирму Apple Computer, которая продолжительное время занимала достойное место на рынке ПЭВМ.

В начале 80-х гг. в ряды производителей ЭВМ влились компьютерные гиганты International Business Machine Corp (IBM), DEC и Hewlett-Packard.

Во второй половине XX в. человечество вступило в новый этап своего развития. В этот период начался переход от индустриального общества к информационному.

Бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий послужило толчком к развитию общества, построенного на использовании различной информации и получившего название информационного общества.

Информационное общество — общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей ее формы — знаний.

Японские ученые считают, что в информационном обществе процесс компьютеризации даст людям доступ к надежным источникам информации, избавит их от рутинной работы, обеспечит высокий уровень автоматизации обработки информации в производственной и социальной сферах. Движущей силой развития общества должно стать производство информационного, а не материального продукта. Материальный продукт станет информационно более емким, что означает увеличение доли инноваций, дизайна и маркетинга в его стоимости.

В информационном обществе изменятся не только производство, но и весь уклад жизни, система ценностей, возрастет значимость культурного досуга по отношению к материальным ценностям. По сравнению с индустриальным обществом, где все направлено на производство и потребление товаров, в информационном обществе производятся и потребляются интеллект, знания, что приводит к увеличению доли умственного труда.

Для информационного общества характерно обеспечение требуемой степени информированности всех его членов, возрастание объема и уровня информационных услуг, предоставляемых пользователю. Такое общество в теоретическом аспекте характеризуется высокоразвитой информационной сферой (инфосферой), которая включает деятельность человека по созданию, переработке, хранению, передаче и накоплению информации.

Информационное общество имеет следующие признаки:

Большинство работающих (около 70%) занято в информационной сфере, т. е. сфере производства информации и информационных услуг.

Обеспечены техническая, технологическая и правовая возможности доступа любому члену общества практически в любом пункте расположения и в приемлемое время к нужной ему информации (за исключением военных и государственных секретов, точно оговоренных в соответствующих законодательных актах).

Информация становится важнейшим стратегическим ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре.

Материальной и технологической базой информационного общества станут различного рода системы на базе компьютерной техники и компьютерных сетей, информационной технологии, телекоммуникационной связи.

Процесс, обеспечивающий этот переход, получил название «информатизация». Информатизация общества — организованный социально-экономический и научно-технический процесс создания условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе формирования и использования информационных ресурсов. При этом информация становится важнейшим стратегическим ресурсом общества и занимает ключевое место в экономике, образовании и культуре.

Неизбежность информатизации общества обусловлена возрастанием объема информации, которое особенно стало заметно в середине XX в. Лавинообразный поток информации хлынул на человека, не давая ему возможности воспринять эту информацию в полной мере. В ежедневно появляющемся новом потоке информации ориентироваться становилось все труднее. Подчас выгоднее стало создавать новый материальный или интеллектуальный продукт, чем вести розыск аналога, сделанного ранее.

Образование больших потоков информации обусловливается:

— чрезвычайно быстрым ростом числа документов, отчетов, диссертаций, докладов и т. п., в которых излагаются результаты научных исследований и опытно-конструкторских работ;

— постоянно увеличивающимся числом периодических изданий по разным областям человеческой деятельности;

— появлением разнообразных данных (метеорологических, геофизических, медицинских, экономических и др.), записываемых обычно на магнитных лентах и поэтому не попадающих в сферу действия системы коммуникации.

Как результат — наступает информационный кризис (взрыв), следующие проявления:

— появляются противоречия между ограниченными возможностями человека по восприятию и переработке информации и существующими мощными потоками и массивами хранящейся информации. Так, общая сумма знаний менялась вначале очень медленно, но уже с 1900 г. она удваивалась каждые 50 лет, а к 1950 г. удвоение происходило каждые 10 лет, к 1970 г. — каждые 5 лет, с 1990 г. — ежегодно;

— существует большое количество избыточной информации, которая затрудняет восприятие полезной для потребителя информации;

— возникают определенные экономические, политические и другие социальные барьеры, препятствующие распространению информации. Например, по причине соблюдения секретности часто к необходимой информации запрещен доступ работникам разных ведомств.

Эти причины породили весьма парадоксальную ситуацию: в мире накоплен громадный информационный потенциал, но люди не могут им воспользоваться в полном объеме в силу ограниченности своих возможностей. Выходом из создавшегося положения явилось бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий.

Современная информационная технология опирается на достижения в области компьютерной техники и средств связи.

Информационная технология (ИТ) — процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления.

Важнейшим видом информационных технологий является телекоммуникация — дистанционная передача данных на базе компьютерных сетей и современных технических средств связи.

Процесс перехода от постиндустриального общества к информационному происходит не одновременно в различных странах и характеризуется разными темпами развития. Первыми на этот путь встали в конце 50-х гг. — начале 60-х гг. XX в. США, Япония и страны Западной Европы. В этих государствах, начиная с 60−70-х гг., проводится политика повсеместной информатизации всех сфер деятельности человека. Были разработаны и приняты на государственном уровне программы информатизации с целью наиболее полного использования информационного ресурса для ускорения экономического, социального и культурного развития общества. Предполагается, что США завершат переход к информационному обществу к 2020 г., Япония и основные страны Западной Европы — к 2030;2040 гг.

В СССР в 1989 г. была разработана Концепция информатизации общества. По предварительным оценкам информатизация в России завершится к 2050 г. при условии стабилизации экономической и политической обстановки в стране. По мнению специалистов, любая страна, насколько бы индустриально развитой она ни была, перейдет в разряд стран третьего мира, если опоздает с информатизацией.

Если предшествующие этапы развития человечества длились каждый около трех веков, то ученые прогнозируют, что информационный этап продлится значительно меньше. Срок его существования ограничится, вероятно, сотней лет. Это означает, что основные регионы мира войдут в развитое информационное общество в XXI в., и в этом же веке начнется переход к постинформационному обществу.

В процессе информатизации общества происходит создание и накопление основного вида ресурса — информационного. Информационные ресурсы (ИР) — это идеи человечества и указания по их реализации, накопленные в форме, позволяющей их воспроизводство.

Основные особенности информационных ресурсов:

1) отличие от других видов ресурсов (в частности материальных) практически неисчерпаемы; по мере развития общества и роста потребления знаний их запасы не убывают, а растут;

2) по мере использования не исчезают, а сохраняются и даже увеличиваются (за счет трансформации полученных сообщений с учетом опыта и местных условий);

3) несамостоятельны и имеют лишь потенциальное значение. Только соединяясь с другими ресурсами (опытом, трудом, квалификацией, техникой, энергией, сырьем), проявляются как движущая сила;

4) являются формой непосредственного включения науки в состав производительных сил. В индустриальном обществе наука выступает опосредованной производительной силой;

5) возникают в результате не просто умственного труда, а его творческой части. Рутинная часть умственной работы сама по себе не информативна: она не увеличивает потенциала нужных знаний, не меняет представлений о путях достижения цели;

6) превращение знаний в информационные ресурсы зависит от возможностей их кодирования, распределения и передачи.

Существуют две формы ИР: пассивная и активная.

К пассивной относятся книги, журнальные статьи, патенты и банки данных, а также знания, привязанные к конкретным предметным областям (например, выборки, извлечения данных и т. п.), если они некомплексные, т. е. недостаточные для целенаправленного применения.

Активные формы: модель, алгоритм, проект, программа и база знаний (БЗ).

Модель — это описание системы, отображающее определенную группу ее свойств. Создание модели системы позволяет предсказывать ее поведение в определенном диапазоне условий.

Алгоритм — это совокупность правил, предписывающих выполнение последовательности действий, приводящих к решению задачи.

Программа и проект — конечные синтетические формы существования ИР в его жизненном цикле.

База знаний (knowledge base) — это совокупность знаний о некоторой предметной области, на основе которых можно производить рассуждения; основная часть экспертных систем, где с по-мощью БЗ представляются навыки и опыт экспертов, разрабатывающих эвристические подходы в ходе решения проблем. БЗ представляет собой набор фактов и правил, формализующих опыт специалистов в этой области и позволяющих давать ответы на вопросы об этой предметной области, которые в явном виде не содержатся в БЗ.

В отличие от баз данных, содержащих сведения о количественных и качественных характеристиках конкретных объектов, БЗ содержат концептуальные, понятийные знания, выраженные на естественном языке в терминах предметной области, т. е. знания о стоящих за этими терминами классах объектов, их свойствах и логических связях, которыми может оперировать машина логического вывода как элемент искусственного интеллекта.

1.4 Информация и ее свойства

1.4.1 Информация и данные Слово «информация», известное в наше время каждому, было введено в постоянное употребление в середине ХХ в. Клодом Шенноном в узком техническом смысле применительно к теории связи или передачи кодов, получившей название «теория информации». В настоящее время этот термин имеет гораздо более глубокий смысл. Это стало следствием необходимости осознанной организации процессов движения и обработки того, что имеет общее название «информация» (от лат. informatio — разъяснение, осведомление, изложение) и является основным понятием информатики. Несмотря на значительное развитие этой науки и ее составных частей, однозначного и всеми принятого определения информации нет.

Информация — это настолько общее и глубокое понятие, что его нельзя объяснить одной фразой. В это слово вкладывают различный смысл в науке, технике и житейских ситуациях.

Информация — это совокупность знаний о фактических данных и зависимостях между ними; содержание, которое присваивается данным посредством соглашений, распространяющихся на них; данные, подлежащие вводу в компьютер, обрабатываемые на нем и выдаваемые пользователю; законы, методы и способы накопления, обработки и передачи информации с помощью компьютеров и иных технических устройств.

В рамках дисциплины «Информатика» оперируют следующим определением:

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

Информатика рассматривает информацию как концептуально связанные между собой знания, сведения, изменяющие наши представления о явлении или объекте окружающего мира. Эти знания можно разделить на две категории: знание фактов («Я знаю, что…» — декларативные знания) и знание правил («Я знаю, как…» — процедурные знания). Для того чтобы правильно определить свои действия в конкретной ситуации, равно необходимы и те, и другие.

Информация может существовать в самых разнообразных формах: в виде текстов, рисунков, чертежей, фотографий, световых или звуковых сигналов, радиоволн, электрических и нервных импульсов, магнитных записей, жестов и мимики, запахов и вкусовых ощущений, хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов, и т. д.

Предметы, процессы, явления материального или нематериального свойства, рассматриваемые с точки зрения их информационных свойств, называются информационными объектами.

Классификация видов информации представлена в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Упорядоченность данных достигается наложением на них некоторой структуры (отсюда часто используемый термин — структура данных).

Особым образом при этом выделяют организованную информацию — знания. Они в отличие от данных представляют собой информацию не о каком-то единичном и конкретном факте, а о том, как устроены все факты определенного типа.

Знание — совокупность специализированных (ориентированных на решение многих задач из определенной предметной области) фактов, правил обработки фактов, условий применения этих правил к конкретным фактам, методов получения новых фактов и способов организации процесса логического вывода.

Свойства знаний:

1) внутренняя интерпретируемость (сопоставление исходных данных, понятий и отношений с некоторыми математическими или логическими объектами и отношениями между ними);

2) понимание смыслового содержания информационных единиц в ЭВМ;

3) активность (переосмысливание известных фактов при появлении новых сведений);

4) связность (возможность установления функциональных, структурных, семантических и других отношений между фактами и правилами);

5) конвертируемость (изменение формы представления знаний в процессе принятия решений).

Не программы управляют данными, а появление новых сведений приводит к вызову программ обработки информации, уже имеющейся в системе.

Знания — это «живая», диалектическая система; они передаются другим людям, материализуются и существуют в трех формах:

— «живые» (квалификация);

— овеществленные;

— информация (сообщения).

Наряду с понятием «информация» в информатике часто употребляется понятие «данные», которые можно рассматривать:

1) как признаки или записанные наблюдения, которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся;

2) информация, представленная в виде, пригодном для обработки автоматическими средствами при возможном участии человека [4];

3) факты, понятия или команды, представленные в формализованном виде, позволяющем осуществлять их передачу, интерпре-тацию или обработку как вручную, так и с помощью систем автоматизации.

Если появляется возможность использовать эти данные для уменьшения неопределенности о чем-либо, они превращаются в информацию, поэтому можно утверждать, что информацией являются используемые данные. Например: Напишите на листе десять номеров телефонов в виде последовательности десяти чисел и покажите их вашему другу. Он воспримет эти цифры как данные, так как они не предоставляют ему никаких сведений. Затем против 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.

Когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких-либо технических устройств, обычно в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а количеством символов, которое содержит это сообщение.

1.4.2 Меры информации Важным вопросом теории информации является установление меры количества и качества информации (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Меры информации

Синтаксическая мера оперирует объемом данных и количеством информации I_a, выраженной через энтропию (понятие неопределенности состояния системы).

Семантическая мера оперирует количеством информации, выраженной через ее объем и степень содержательности.

Прагматическая мера определяется ее полезностью, выраженной через соответствующие экономические эффекты.

1.4.2.1 Синтаксическая мера информации

Эта мера количества информации оперирует с обезличенной информацией, не выражающей смыслового отношения к объекту.

На сегодняшний день наиболее известны следующие способы количественного измерения информации: объемный, энтропийный, алгоритмический.

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

Объем информации — это количество символов в сообщении. Поскольку одно и то же число может быть записано многими разными способами, т. е. с использованием разных алфавитов, например двадцать один — 21- XXI- 11 001, то этот способ чувствителен к форме представления (записи) сообщения. В вычислительной технике вся обрабатываемая и хранимая информация вне зависимости от ее природы (число, текст, отображение) представлена в двоичной форме (с использованием алфавита, состоящего всего из двух символов «0» и «1»).

В двоичной системе счисления единица измерения — бит (bit — binary digit — двоичный разряд).

В теории информации бит — количество информации, необходимое для различения двух равновероятных сообщений; а в вычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти, необходимую для хранения одного из двух знаков «0» и «1», используемых для внутримашинного представления данных и команд. Это слишком мелкая единица измерения, на практике чаще применяется более крупная единица — байт, — равная 8 бит, необходимых для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера (256 = 2⁸).

Широко используются также еще более крупные производные единицы информации:

1 килобайт (кбайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт;

1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 кбайт = 2²⁰ байт;

1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт.

В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление следующие производные единицы:

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

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

В десятичной системе счисления единица измерения — дит (десятичный разряд).

Пример.

Сообщение в двоичной системе в виде восьмиразрядного двоичного кода 1011 1011 имеет объем данных V_Д = 8 бит.

Сообщение в десятичной системе в виде шестиразрядного числа 275 903 имеет объем данных V_Д = 6 бит.

В теории информации и кодирования принят энтропийный подход к измерению информации. Получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением степени неосведомлен-ности получателя о состоянии этой системы. Этот способ измерения исходит из следующей модели.

Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые предварительные (априорные) сведения о системе б. После получения сообщения получатель приобрел некоторую дополнительную информацию I (), уменьшившую его неосведомленность. Эта информация в общем случае недостоверна и выражается вероятностями, с которыми он ожидает то или иное событие. Общая мера неопределенности (энтропия) характеризуется некоторой математической зависимостью от совокупности этих вероятностей. Количество информации в сообщении определяется тем, насколько уменьшится эта мера после получения сообщения.

Так, американский инженер Р. Хартли (1928 г.) процесс получения информации рассматривает как выбор одного сообщения из конечного наперед заданного множества из N равновероятных сообщений, а количество информации i, содержащееся в выбранном сообщении, определяет как двоичный логарифм N (формула Хартли):

.

Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется:, т. е. сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицам информации.

Другие примеры равновероятных сообщений:

1) при бросании монеты «выпала решка», «выпал орел» ;

2) на странице книги «количество букв четное», «количество букв нечетное» .

Нельзя ответить однозначно на вопрос, являются ли равновероятными сообщения «первой выйдет из дверей здания женщина» и «первым выйдет из дверей здания мужчина». Все зависит от того, о каком именно здании идет речь. Если это, например, станция метро, то вероятность выйти из дверей первым одинакова для мужчины и женщины, а если это военная казарма, то для мужчины эта вероятность значительно выше, чем для женщины.

Для задач такого рода американский ученый Клод Шеннон предложил в 1948 г. другую формулу определения количества информации, учитывающую возможную неодинаковую вероятность сообщений в наборе (формула Шеннона):

где — вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.

Легко заметить, что если вероятности … равны, то каждая из них равна и формула Шеннона превращается в формулу Хартли.

Помимо двух рассмотренных подходов к определению количества информации, существуют и другие. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определенному кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.

В алгоритмической теории информации (раздел теории алгоритмов) предлагается алгоритмический метод оценки информации в сообщении. Любому сообщению можно приписать количественную характеристику, отражающую сложность (размер) программы, которая позволяет ее произвести.

Коэффициент (степень) информативности (лаконичности) сообщения определяется отношением количества информации к общему объему полученных данных:

причем 0 < Y < 1.

С увеличением Y уменьшаются объемы работ по преобразованию информации (данных) в системе. Поэтому необходимо стремиться к повышению информативности, для чего разрабатываются специальные методы оптимального кодирования информации.

1.4.2.2 Семантическая мера информации Семантика — наука о смысле, содержании информации.

Для измерения смыслового содержания информации, т. е. ее количества на семантическом уровне, наибольшее признание получила тезаурусная мера, связывающая семантические свойства информации со способностью пользователя принимать поступившее сообщение. Одно и то же информационное сообщение (статья в газете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертеж, радиопередача и т. п.) может содержать разное количество информации для разных людей в зависимости от их предшествующих знаний, уровня понимания этого сообщения и интереса к нему.

Для измерения количества семантической информации используется понятие «тезаурус пользователя», т. е. совокупность сведений, которыми располагает пользователь или система.

В зависимости от соотношений между смысловым содержанием информации S и тезаурусом пользователя S_p изменяется количество семантической информации I_c, воспринимаемой пользователем и включаемой им в дальнейшем в свой тезаурус. Характер такой зависимости показан на рисунке 1. 2.

Рис. 1. 2. Зависимость количества семантической информации, воспринимаемой потребителем, от его тезауруса I_C = f (S_p)

Рассмотрим два предельных случая, когда количество семантической информации I_C равно 0:

при пользователь не воспринимает, не понимает поступающую информацию;

при пользователь все знает и поступающая информация ему не нужна.

Максимальное количество семантической информации потребитель приобретает при согласовании ее смыслового содержания S со своим тезаурусом (), когда поступающая информация понятна пользователю и несет ему ранее неизвестные (отсутствующие в его тезаурусе) сведения.

Следовательно, количество семантической информации и новых знаний в сообщении, получаемое пользователем, является величиной относительной.

Относительной мерой количества семантической информации может служить коэффициент содержательности С, определяемый как отношение количества семантической информации к ее объему:

.

1.4.2.3 Прагматическая мера информации

Эта мера определяет полезность информации (ценность) для достижения пользователем поставленной цели. Это величина относительная, обусловленная особенностями использования информации в той или иной системе. Ценность информации целесообразно измерять в тех же самых единицах (или близких к ним), в которых измеряется целевая функция.