Предмет и содержание кибернетики

Лекция №1. Информатизация общества"

Основы информатики и кибернетики

Особенностью современного этапа развития общества является переход от индустриального общества к информационному. Деятельность людей, коллективов и организаций зависят от их информированности и способности эффективно использовать имеющуюся информацию. Отыскание рациональных решений в любой сфере требует обработки больших объемов информации, что невозможно без привлечения специальных технических средств.

Возрастание объемов информации стало особенно заметно в середине ХХ века. Лавинообразный поток информации хлынул на человека, не давая ему возможности воспринять эту информацию в полной мере. Подчас стало выгоднее разработать новый материальный и интеллектуальный продукт, чем вести розыск аналогов, сделанных ранее.

Наступил информационный кризис (взрыв), который породил парадоксальную ситуацию: в мире накоплен громадный информационный потенциал, на люди не могут им воспользоваться в силу ограниченности своих возможностей. Информационный кризис поставил общество перед необходимостью поиска выхода из создавшегося положения, что привело к информационной революции.

В истории цивилизации произошло несколько информационных революций, т. е. преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.

Первая информационная революция связана с изобретением письменности. Появилась возможность передачи знаний от поколения поколению.

Вторая информационная революция (середина XVI века) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Третья информационная революция (конец XIX века) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие передавать и накапливать информацию в большом объеме.

Четвертая информационная революция (70-е годы ХХ века) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера (ПК). На микропроцессорах и интегральных схемах создаются ПК, компьютерные сети (КС), системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуют три фундаментальные инновации:

· Переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным.

· Миниатюризация всех узлов, приборов машин.

· Создание программно-управляемых устройств и процессов Процесс, обеспечивающий этот переход называют информатизацией.

Таким образом, информатизацией общества можно назвать организованный социально-экономический и научно — технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, организаций, объединений, и т. д. на основе формирования и использования соответствующих информационных ресурсов. Причиной, вызывающей этот процесс, является информационный кризис в обществе, который имеет следующие проявления:

— Появляются противоречия между возможностями человека по восприятию и переработке информации и ростом ее объема;

— Возникновение социально-экономических и политических барьеров, препятствующих свободному распространению информации.

В общем случае под информационными ресурсами (ИР) понимают весь имеющийся объем информации, отчужденной от ее создателей и предназначенной для общественного использования. Основной особенностью ИР является то, что в отличие от других видов ресурсов (материальных, природных и др.) они практически неисчерпаемы, т. к. по мере развития общества и роста потребления информации их запасы не убывают, а растут.

Базовой технической составляющей процесса информатизации общества является компьютеризация. Под компьютеризацией понимается развитие и внедрение технической базы — компьютеров, обеспечивающих оперативное получение результатов переработки информации и ее накопление. Внедрение ЭВМ, современных средств переработки и передачи информации в различные сферы деятельности послужило началом эволюционного процесса, называемого информатизацией общества, находящегося на этапе индустриального развития.

Для создания более целостного представления об этом периоде целесообразно познакомиться со сменой поколений электронных вычислительных машин (ЭВМ).

Научным фундаментом процесса информатизации общества является информатика, призванная создавать новые информационные технологии и системы для решения задач информатизации.

Термин информатика возник в 60-х годах во Франции с помощью слияния слов информация и автоматика и означал «информационная информатика или автоматизированная обработка информации».

Выделение информатики как самостоятельной области человеческой деятельности в первую очередь связано с развитием компьютерной техники. В связи с чем термин информатика приобрел новое значение и используется не только для отображения достижения компьютерной техники, но и связывается с процессами передачи и обработки информации.

Существует много определений информатики, что связано с многогранность ее функций. Запишем несколько примеров определения информатики:

Информатика это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения.

Информатика — это наука о методах и способах сбора, представления, хранения, обработки, передачи информации с помощью средств вычислительной техники.

Не надо путать информатику и кибернетику. Поскольку в кибернетику заложена концепция разработки теории управления сложными динамическими системами в разных областях человеческой деятельности Н. Винера, то о ней можно сказать, что это наука об общих принципах управления в различных системах: технических, биологических, социальных и др.

Поэтому информатика и кибернетика это две самостоятельные науки и отличаются расстановкой акцентов:

— в информатике — на свойствах информации и аппаратно-программных средствах ее обработки;

— в кибернетике — на разработке концепций и построении моделей объектов с использованием, в частности, информационного подхода.

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

Задачи информатики состоят в следующем:

— исследование информационных процессов любой природы;

— разработка информационной техники 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.

Информационные процессы, системы и технологии

Процессы получения, хранения, накопления, преобразования, представления и передачи информации называются информационными процессами (ИП). А система приемов, способов, методов осуществления информационных процессов, а также технические и программные средства реализации информационных процессов называются информационными технологиями (ИТ).

Иными словами, ИП — это все, что может произойти с информацией. А ИТ — это то, как это может произойти. (Например: мы сидим на занятиях и узнаем для себя, что-то новое — это информационный процесс. Мы узнаем это, слушая преподавателя или читая книгу — это информационные технологии.)

Потребность человека общаться с окружающими его людьми, то есть выразить и передать информацию, привела к появлению языка и речи — древнейшей ИТ. Затем появились книгопечатание, почта, телеграф, телефон, радио, телевидение, космическая связь и, на конец, компьютеры.

Информационные технологии дают человеку возможность получать информацию о событиях не только в данном месте, но и в других местах и в прошлом времени. Технология в переводе с греческого означает искусство, мастерство, умение, а это не что иное, как процессы.

Процесс — это определенная совокупность действий для достижения поставленной цели.

Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается как единое целое и как объединенная совокупность разнородных элементов в интересах достижения поставленных целей.

Основные направления: теория информации; разработка новых аппаратных средств (hardware); разработка программного обеспечения (software); языки программирования; компьютерные сети; робототехнические средства и системы искусственного интеллекта.

ИС - взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Основу ИС составляют хранящиеся в ней данные. Хорошая ИС должна предоставлять достоверную информацию в определенное время конкретному лицу с ограниченными затратами.

Лекция №2. Структура ИС

Структуру ИС составляет совокупность ее частей называемых подсистемами. Подсистема — это часть системы, выделенная по какому либо признаку.

Структуру ИС составляют:

— Информационное обеспечение — совокупность единой системы классификации и кодирования информации, унифицированных систем документов, схем информационных потоков, методология построения баз данных.

— Техническое обеспечение — комплекс технических средств, предназначенных для работы ИС.

— Математическое и программное обеспечение — совокупность математических методов, моделей, алгоритмов и программ, необходимых для нормального функционирования ИС.

— Организационное обеспечение — совокупность методов и средств, регламентирующих действие работников с техническими средствами и между собой в процессе разработки и эксплуатации ИС. Это: выявление задач, подлежащих автоматизации, подготовка задач к решению на ЭВМ.

— Правовое обеспечение — совокупность правовых норм, определяющих создание, юридический статус и функционирование ИС. Цель правового обеспечения — укрепление законности.

Информационно-поисковые ИС производят ввод, систематизацию, хранение и выдачу информации по запросу пользователей. (ИС в библиотеках, железнодорожных и авиа кассах по продаже билетов и т. д.)

Информационно-решающие ИС осуществляют операции по переработке информации по определенному алгоритму. Среди них можно выделить управляющие и советующие.

Управляющие ИС вырабатывают информацию, на основании которой человек принимает решение. Например система оперативного планирования выпуска продукции, система бух. учета и т. д.

Советующие ИС вырабатывают информацию, которая принимается человеком к сведению, но не превращается немедленно в серию конкретных действий. Например, медицинские ИС, которые предлагают врачу диагноз больного, но решающее слово остается за специалистами-медиками.

Таким образом ИТ как процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, переработки и передачи данных (первичной информации), для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта), предполагает наличие фаз, этапов, операций и действий, набор инструментов.

Цель ИТ — производство информации для ее анализа человеком и принятия на ее основе решения по выполнению какого-то действия. (Н-р, для приготовления одного и того же блюда, каждый человек применяет свою технологию приготовления. Соответственно результаты могут получиться разными.)

ИТ делятся на аналоговые и цифровые. Аналоговые технологии основаны на способе представления информации в виде какой-либо непрерывной (аналоговой) физической величины, являющейся носителем информации. Цифровые технологии основаны на дискретном (разделенный, прерывистый) способе представления информации в виде чисел (обычно с использованием двоичной системы счисления), значение которых является носителем информации. Из-за неоспоримых преимуществ ЦТ все новые ИТ являются цифровыми. К ним относятся, например, архивация и сжатие информации, сканирование и распознавание текстов, цифровое и радио телевидение, цифровая фотография и видео съемка, сеть Интернет и электронная почта, виртуальная реальность.

Программное обеспечение ПО

Техническим устройством для работы с информацией и инструментом для выполнения тех или иных действий, программируемых человеком, является Компьютер. Поэтому набор команд работы с информацией, выполняемых компьютером, описывают программой, составленной на одном из языков программирования. Информация сохраняется на самых разных носителях. Записывается и воспроизводится она с помощью целого ряда аппаратов: дисководов, винчестеров, динамиков, мониторов и др. Это все аппаратное обеспечение персонального и любого компьютера. Но для работы компьютера необходим целый набор программ, и поэтому важное значение имеет и программное обеспечение этих аппаратов — совокупность программ для обработки информации.

Т.о. ПО — это комплекс компьютерных программ и конфигурационных файлов с сопутствующими эксплуатационными документами, обеспечивающий определенный уровень эффективности функционирования системы обработки информации (СОИ) при решении вычислительных, информационных и функциональных задач.

К ПО относится также вся область деятельности по проектированию и разработке ПО:

— технология проектирования программ (н-р, структурное и объектно-ориентированное проектирование и др.);

— методы тестирования программ;

— анализ качества работы программ;

— документирование программ;

— разработка и использование программных средств, облегчающих процесс проектирования программного обеспечения.

Все программы по характеру использования и категориям пользователя можно разделить на два класса: утилитарные программы и программные продукты.

Утилитарные («программы для себя«) предназначены для удовлетворения нужд их разработчиков. Чаще всего утилитарные программы выполняют роль сервиса в технологии обработки данных. Например, программы восстановления поврежденных файлов, программы для восстановления информации на дисках, программы диагностики дисков и т. д.

Программные продукты (изделия) предназначены для удовлетворения потребностей пользователей, широкого распространения и продажи.

Программный продукт должен быть соответствующим образом подготовлен к эксплуатации, иметь необходимую техническую документацию, предоставлять сервис и гарантию надлежащей работы программы, иметь товарный знак изготовителя и код государственной регистрации.

Программный продукт — комплекс взаимосвязанных программ для решения определенной проблемы (задачи) массового спроса, подготовленный к реализации как любой вид промышленной продукции.

Как правило, программные продукты требуют сопровождения, которое осуществляется специализированными фирмами — распространителями программ (дистрибьютерами), реже фирмами — разработчиками.

Программные продукты имеют многообразие показателей качества, которые отражают следующие аспекты:

— насколько хорошо (просто, надежно, эффективно) можно использовать программный продукт;

— насколько легко эксплуатировать программный продукт;

— можно ли использовать программный продукт при изменении условий его применения и др.

Программные продукты можно классифицировать по различным признакам. Рассмотрим классификацию по сфере использования ПП:

— аппаратная часть автономных компьютеров и сетей ЭВМ;

— функциональные задачи различных предметных областей;

— технология разработки программ.

В зависимости от ролевого участия СОИ выделяют прежде всего прикладное и системное ПО. Само по себе ПО создается инструментальными программными средствами специального и общего назначения. На их основе существуют системы программирования и интегрированные среды разработки. Последние трансформируются в среды программной инженерии. С их помощью поддерживается эффективная реализация процессов создания спецификаций, требований, разработки, модификации и сопровождения программных систем.

Системное программное обеспечение

Системными называют программы, предназначенные для разработки, отладки и поддержки выполнения других программ. Они выполняются вместе с прикладными и служат для управления ресурсами компьютера — центральным процессором, памятью, вводом-выводом, системной шиной.

СПО ориентированно как на квалифицированных пользователей — профессионалов в компьютерной области: системного программиста, администратора сети, прикладного программиста, оператора, так и на всех пользователей компьютера. Оно организует и поддерживает в СОИ выполнение с определенной эффективностью прикладных программ.

Т.о. системное программное обеспечение — это совокупность программ и программных комплексов для обеспечения работы компьютера и сетей ЭВМ.

Системное ПО состоит из базового программного обеспечения, которое поставляется вместе с компьютером, и сервисного программного обеспечения, которое может быть приобретено дополнительно.

В базовое программное обеспечение входят:

— операционная система (ОС);

— операционные оболочки (текстовые и графические);

— сетевая ОС.

Операционная система предназначена для управления выполнением пользовательских программ, планирования и управления вычислительными ресурсами ЭВМ. Она выполняет роль связующего звена между аппаратурой компьютера, с одной стороны, и выполняемыми программами, а также пользователем — с другой. Храниться ОС обычно во внешней памяти компьютера на диске.

Важной характеристикой ОС является количество выполняемых на компьютере вычислительных задач.

Ведущее положение среди ПО и ОС занимают фирмы IBM, Microsoft, UNISYS, Novell. К наиболее распространенным типам ОС относятся MS DOS, Windows, Unix, Linux.

Операционные оболочки — специальные программы, предназначенные для облегчения общения пользователя с командами ОС. Операционные оболочки имеют текстовый и графический варианты интерфейса конечного пользователя. Наиболее популярны следующие виды текстовых и графических оболочек: Norton Commander, Far, Windows Commander, XTree Gold 4.0, Norton Navigator, MS DOS, Windows 3.1 и др.

Cетевая ОС предназначена для организации совместной работы группы пользователей на разных компьютерах и является комплексом программ, обеспечивающим обработку, передачу и хранение данных в сети.

В настоящее время наибольшее распространение имеют сетевые ОС Unix, VINES, Windows NT, NetWare и др.

Сервисное программное обеспечение

Расширением базового программного обеспечения является набор сервисных, дополнительно устанавливаемых программ, которые можно классифицировать по функциональному признаку следующим образом:

— программы диагностики работоспособности компьютера (программы контроля, тестирования и диагностики, программы — драйверы);

— программы архивирования данных (упаковщики);

— антивирусные программы;

— программы обслуживания дисков;

— программы обслуживания сети.

Эти программы часто называются утилитами — программами, служащими для выполнения вспомогательных операций обработки данных или обслуживания компьютеров.

Лекция №3. Информация ее виды, формы и свойства

Принципы всеобщего энергоинформационного взаимодействия в природе были известны человеку разных исторических эпох. В первую очередь это были наблюдения и накопление знаний об окружающем нас мире. Собранные знания и накопленный опыт человечество использовало для выживания в трудных условиях, защиты и создания орудий труда. Эти знания передавались из поколения в поколение. Т. е. люди, да и общество в целом постоянно обменивались какими-то сведениями и знаниями о ком-то или о чем-то.

Сам термин ИНФОРМАЦИЯ происходит от латинского information, означающего разъяснение, изложение, осведомленность.

В «словаре русского языка» С. И. Ожегова ИНФОРМАЦИЯ — это сведения об окружающем мире и протекающих в нем процессах, воспринимаемые человеком или специальным устройством.

Т.о. в широком смысле понятие ИНФОРМАЦИЯ — включает в себя обмен сведениями между людьми, обмен сведениями между живой и не живой природой, людьми и устройствами.

Во все времена для человека, животного или растения ИНФОРМАЦИЯ представляла и представляет собой отражение реального мира и выражает сведения о ком-то или о чем-то. Т.о. понятие ИНФОРМАЦИЯ всегда связано с объектом реального мира, свойство которого она отражает, т. е. она не может возникнуть из ничего!!!

Поэтому, давая определение «ИНФОРМАЦИЯ» можно сказать, что — это совокупность разнообразных данных, сведений, сообщений, знаний, умений и опыта об объектах и явлениях окружающей среды необходимых для уменьшения степени неопределенности, неполноты знаний.

Сегодня информация имеет общее назначение — она доступна всем и так же как вещество и энергия, стала предметом производства и распространения, обрела свойства и функции товара.

Обладая информацией, природа и человек могут выполнять различные действия над ней:

— создание

— передача

— восприятие, прием

— запоминание и хранение

— поиск

— копирование

— разрушение

— изменение

— деление на части

— упрощение и т. д.

Информация может существовать, передаваться и восприниматься в самых разнообразных видах и формах:

— В виде знаков: это цифры и арифметические знаки, используемые в математике, условные графические изображения;

— В виде символов, которые могут быть представлены буквами алфавита, специальными обозначениями, используемые для создания текстов и рисунков;

— В форме звуковых, световых сигналов и радиоволн;

— В форме устной речи;

— В форме магнитных, а также биоили энерго-информационных полей;

— В форме электрического тока или напряжения и.т.д.

При работе с информацией всегда имеется ее источник и потребитель (получатель, пользователь). Пути и процессы передачи сообщений от источника информации к ее потребителю называются информационными коммуникациями. Для потребителя информации важной характеристикой является ее адекватность.

Адекватность информации — определенный уровень соответствия создаваемого с помощью полученной информации образа реальному объекту, процессу, явлению и т. д.

Например, вы хотите купить новый недорогой удовлетворяющий определенным требованиям компьютер, и решили узнать цену у своих друзей. Каждый из них называет ту цену, которую он помнит или за которую последний раз покупал сам. Данная информация может быть неадекватна реальному положению дел. Для того, что бы узнать реальную цену, вы идете в магазин, где цены указаны и определяетесь в своем выборе.

Информация имеет определенные функции и этапы обращения в обществе. Основными из них являются:

- познавательная, цель которой — получение новой информации, проходящей через следующие этапы: синтез (производство), представление, хранение (передача во времени), восприятие (потребление).

— коммуникативная — функция общения людей, в результате которой информация проходит через такие этапы как: передача (в пространстве), распределение.

— управленческая, цель которой — формирование целесообразного поведения управляемой системы, получающей информацию, которая проходит через все этапы, включая обработку.

Поэтому нельзя забывать, что любой информации присущи определенные свойства, позволяющие ее правильно интерпретировать.

Свойства информации

Достоверность — если она отражает истинное положение дел. Недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений.

Полнота — если ее достаточно для понимания и принятия решения. Неполная информация сдерживает принятие решения и может повлечь за собой ошибки.

Ценность — зависит от того, насколько она важна для решения задачи.

Актуальность — это когда информация соответствует существующей ситуации, необходима для срочного принятия решения, соответствует требуемому заданию.

Ясность - если она воспроизводится и передается четко, последовательно и однозначно.

Понятность — если она выражена языком, на котором говорят те, кому она предназначена. Ценная и актуальная информация, выраженная непонятным языком (словами), может стать бесполезной.

Виды и формы представления информации в информационных системах

Все многообразие окружающей нас информации можно классифицировать по различным признакам. Так, по признаку «область возникновения» информацию, отражающую процессы, явления неодушевленной природы, называют элементарной, или механической, процессы животного и растительного мира — биологической, человеческого общества — социальной. Информацию, создаваемую и используемую человеком по общественному назначению можно разбить на три вида: личная, массовая и специальная. Личная — предназначена для конкретного человека, массовая — для любого, желающего ею пользоваться, специальная — для узкого круга лиц, занимающихся решением сложных специальных задач в области науки, техники и т. д.

В автоматизированных ИС выделяют:

— структурную (преобразующую) информацию объектов системы, ее элементов управления, алгоритмов и программ переработки информации;

— содержательную (специальную, главным образом осведомляющую, измерительную и управляющую, а также научно-техническую и др.) информацию, извлекаемую из информационных массивов (сообщений команд и т. д.) относительно индивидуальной модели предметной области получателя (человека или подсистемы).

Первая связана с качеством информационных процессов в системе, с внутренними технологическими эффектами и затратами на переработку информации. Вторая — как правило, с внешним целевым (материальным) эффектом.

При реализации ИП передача информации от источника к приемнику может осуществляться с помощью какого-либо материального носителя (бумаги, магнитной ленты, диска и т. д.) или физического процесса (звуковых или электромагнитных волн). В зависимости от типа носителя различают следующие виды информации: документальную (ДИ) акустическую (речевую) и телекоммуникационную (ТИ).

ДИ представляется в графическом или буквенно-цифровом виде на бумаге, а также в электронном виде. РИ возникает в ходе ведения разговоров, а также при работе систем звукоусиления и звуковоспроизведения. ТИ циркулирует в технических средствах обработки и хранения информации, а также в каналах связи при ее передаче. Носителем информации при ее обработке техническими средствами и передаче по проводным каналам связи является электрический ток, а при передаче по радио и оптическому каналам — электромагнитные волны.

В настоящее время во всех вычислительных машинах информация представляется с помощью электрических сигналов. При этом возможны две формы представления численного значения какой-либо переменной: аналоговой (в виде одного сигнала) и дискретной (в виде нескольких сигналов).

Единицы измерения информации

Под количеством информации понимают меру снятия неопределенности ситуации при получении сообщения. В решении определения количества информации существуют два основных подхода. В конце 40-х годов ХХ века один из основоположников кибернетики американский математик Клод Шеннон, развил вероятностный подход. А работы по созданию ЭВМ, привели к использованию объемного способа измерения информации, учитывающего количество символов, содержащихся в сообщении. Длина сообщения при этом обусловлена используемым алфавитом.

При этом для измерения информации вводятся два параметра: количество информации I и объем данных Vд.

Вероятностный подход основан на энтропии Н — величина, характеризующая неопределенность информации. На ней строятся теории Хартли и Шеннона, описанные следующими формулами:

Н=log₂N — аддитивная мера Хартли

Н= -— формула Шеннона определения среднего количества информации в сообщении с учетом известных вероятностных характеристик его элементарных составляющих, где N — количество элементов, определяющих сообщение, P_j — априорная (доопытная) вероятность появления элемента х_j в сообщении, log₂P_j — количество информации в битах, доставляемой элементом х_j сообщения.

Наименьшей единицей измерения информации является Бит. Это двоичная ячейка памяти, которая может находиться в двух состояниях: «0» когда амплитуда импульса равна 0 или близка к нему, и «1», когда амплитуда импульса приближена к напряжению источника питания.

Выбор такой единицы количества информации связан с наиболее распространенным способом ее обработки на компьютере с помощью двоичного кода.

1 Бит — это количество информации, содержащейся в сообщении типа «да» - «нет», что в двоичном коде равнозначно символам 1 — 0.

Основной единицей количества информации, воспринимаемой и обрабатываемой компьютером является Байт, объединяющий блоки данных из 8 Бит. Т.о. 1Байт = 8Бит. Байт записывается в память компьютера, считывается и обрабатывается как единое целое. Количественная совокупность Байт называется машинным словом.

Информация, обрабатываемая компьютером поступает в него уже закодированной.

Кодирование информации

Для автоматизации работы с данными, очень важно унифицировать их форму представления — для этого обычно используется прием кодирования, т. е. выражение данных одного типа через данные другого типа. Человеческие языки — это ни что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей по средствам речи. Проблема универсального средства кодирования достаточно успешно реализуется в отдельных отраслях техники науки и культуры (телеграфная азбука, система Брайля для слепых, система записи математических выражений и др.)

Своя система существует и в вычислительной технике — она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. эти знаки называют двоичными цифрами.

Лекция № 4. Системы счисления

Система счисления — это способ изображения любых чисел с помощью некоторого набора символов, которые называются цифрами.

Все системы счисления делятся на два больших класса — непозиционные и позиционные.

В непозиционной системе значение цифры не зависит от места, которое она занимает в записи числа. Примером непозиционной системы счисления является римская система записи чисел.

В позиционных системах счисления вес (значение) каждой цифры изменяется от ее позиции (положения) в записи числа. Примером такой системы является наша с вами привычная десятичная система счисления.

Название системе дает количество цифр, необходимых для записи числа в данной системе.

Наиболее распространенными системами счисления являются:

двоичная сс (две цифры 0 и 1)

десятичная сс (десять цифр 0, 1, 2, 3, 4, 5, …9)

восьмеричная сс (восемь цифр 0, 1, …7)

шестнадцатеричная сс (цифры 0, 1, 2, …9 и знаки A, B, C, D, E, F)

Десятичная система счисления наиболее распространена в вычислительной практике и этим она обязана случайному обстоятельству — наличию у людей десяти пальцев на руках.

Количество различных цифр, необходимых для записи чисел в данной системе счисления называется основанием системы счисления — р.

У двоичной системы счисления основание р=2, у восьмеричной — 8=2³, у шестнадцатеричной — 16=2⁴.

Рядом с числом в скобках указывают систему счисления, в которой это число записано, т. е. А_(р).

В позиционной системе счисления с некоторым основанием р любое число можно представить в виде последовательности цифр

А_(р) = а_(n-1) а_(n-2)…а₍₁₎ а₍₀₎, а_(-1) а_(-2)…а_(-m)

В р — ичной системе счисления любое число имеет вид:

(*) А_(р)=а_n-1 р^n-1 +а_n-2 р^n-2 + … +а₁ р¹ +а₀ р⁰ + а_-1 р^-1 + … + а_-m р^-m

Где а_i — цифры в записи числа р — основание системы счисления

n — количество разрядов (позиций) в целой части числа (до запятой)

m — количество разрядов в дробной части числа (после запятой) Н-р: 1995 ₍₁₀₎= 1*10³ + 9*10² + 9*10¹ +5*10⁰

1001 ₍₂₎= 1*2³ +0*2² +0*2¹ +1*2⁰

В ЭВМ длина обрабатываемых чисел обычно ограничена следующими значениями: 1 байт (8 двоичных разрядов), 2 байта (16 разрядов), 4 байта (32 разряда) и 8 байт (64 разряда).

Так, максимальное целое положительное число, которое можно записать с использованием 16 двоичных разрядов равно, 2^-6-1=65 535

Перевод чисел из одной системы счисления в другую

1. Метод непосредственного замещения

При использовании этого метода, число представляется в виде полинома (*).Он служит для перевода чисел из любой системы счисления в десятичную. Действия при этом выполняются в той системе счисления, в которую мы переводим (для удобства).

Н-р: 1) 137 ₍₈₎= 1*8² +3*8¹ +7*8⁰=64+24+7=95 ₍₁₀₎

2) 1010 ₍₂₎= 1*2³ +0*2² +1*2¹ +0*2⁰=8+2= 10 ₍₁₀₎

3) 85₍₁₆₎= 8* 16¹ +5*16⁰= 128+5=133₍₁₀₎

Но использовать этот метод для перевода из 10-ой в любую другую сс неудобно, т. к. в этом случае надо заранее знать представление чисел в этой системе и арифметические операции в ней.

Существует удобные методы перевода чисел из 10-ой сс в любую. Действия при этом выполняются в той сс, из которой мы переводим. При переводе из 10-ой сс в любую другую следует преобразовывать отдельно целую и отдельно дробную части числа.

2. Метод последовательного деления на основание сс. (Этот метод используется только для целых чисел.)

Правило: Для перевода целого числа из одной системы счисления в другую, необходимо последовательно делить это число и промежуточные частные на основание той сс, в которую мы переводим. Деление производится до тех пор, пока частное не окажется меньше делителя. Полученные остатки и последнее частное дадут искомое изображение числа, причем первый остаток записывается в младший разряд, а последнее частное в старший разряд числа.

Н-р: 1) 135₍₁₀₎ =?₍₂₎

135₍₁₀₎=10 000 111₍₂₎

2) 167₍₁₀₎=?₍₈₎ 167₍₁₀₎=248₍₈₎

3. Использование разрядной сетки (таблицы степеней числа 2)

Правило: Десятичное число получается путем складывания чисел в таблице, начиная с самого большого числа, максимально приближенного к данному. При этом, то число которое вошло в сумму фиксируем 1, а если не вошло -0.

Н-р. 135₍₁₀₎=128+4+2+1=10 000 111₍₂₎

4. Перевод из 2-ой в 8-ую и 16-ую и обратно

а) Для перевода 8-ного (16-ного) в 2-ую сс достаточно каждую 8-ую (16-ую) цифру заменить равным ей трехразрядным (четырехразрядным) двоичным числом — двоичной триадой (двоичной тетрадой), если она окажется неполной, ее следует дополнить нулями.

Н-р: 1) 346, 23₍₈₎= 011 100 110, 010 011₍₂₎

2) DA1F₍₁₆₎= 1101 1010 0001 1111₍₂₎

б) Для перевода числа из 2-ой сс в 8-ую (16-ую) сс достаточно разбить его на число влево и вправо от запятой на группы по 3 (4) разряда и заменить каждую триаду (тетраду) соответствующей 8-ой (16-ой) цифрой.

Н-р: 1 011 110 110,110110111101₍₂₎=566,6675₍₈₎ (176, DBD₍₁₆₎)

5. Перевод из 2-ой с/с в десятичную.

1) Метод непосредственного замещения.

2) Использование разрядной сетки.

Н-р: 111 001₍₂₎= 2⁵+2⁴+2³+2⁰= 57₍₁₀₎

Арифметические операции в 2-ой сс.

Все арифметические операции в сс с основанием р проводятся в соответствии с известными правилами выполнения арифметических действий в 10-ой сс, но при этом используются таблицы сложения и умножения, составленные для данной сс.

Сложение производится поразрядно, начиная с младшего в соответствии с таблицей сложения. Для 2-ой сс

0+0=0

0+1=1

1+0=1

1+1=10 (2 — в 2-ой сс)

Вычитание основано на применении следующей таблицы:

0−0=0

1−0=1

1−1=0

10−1=1 (заимствование 1 из старшего разряда)

Лекция №5. Функциональная организация компьютера

На сегодняшний день обществом используется очень большое количество вычислительных машин. ЭВМ, компьютер, вычислитель — это совокупность технических устройств и программных продуктов, предназначенных для выполнения различного рода логических, арифметических и аналитических задач.

Любая ЭВМ должна обладать следующими характеристиками:

— комплектация всех составляющих аппаратных ресурсов, необходимых для решения требуемых задач;

— наличие устройства ввода и вывода информации;

— высокая совместимость с другими устройствами приема и передачи информации;

ЭВМ — это взаимодействующая совокупность аппаратных и программных средств.

Конструктивно ПК минимальной конфигурации должен состоять из 3-х компонентов: системного блока — устройства содержащего в своей структуре все основные технические компоненты ПК, дисплея и клавиатуры.

Внутренняя структура представляет собой набор устройств, в которые входят системная плата (материнская), отсеки для устройств внешней памяти и блок питания.

Материнская плата — это пластина, выполненная из диэлектрического материала, на которой размещены: микропроцессор, модуль BIOS, модули ОЗУ и ПЗУ, системная шина, гнезда увеличения ресурсов, адаптеры клавиатуры, НЖМД, НГМД, СD-ROM, модули КЕШ-памяти, контроллеры прерываний, таймер и др.

Прерывание — временная остановка выполнения одной программы в целях выполнения другой в данный момент более важной (приоритетной) программы.

Основным показателем материнской платы является степень ее интеграции — максимальное количество элементов, используемое при разработке платы.

Как известно, процессор является основным вычислительным блоком компьютера. Микропроцессор (МП) появился во второй половине ХХ века. Его работой управляют электрические импульсы: наличие импульса соответствует единице, отсутствие импульса — нулю. МП предназначен для обработки сигналов в двоичном коде и представляет собой целую сверхминиатюрную цифровую вычислительную машину, помещенную на одном кремниевом кристалле. Между собой МП различаются разрядностью и тактовой частотой. Разрядность — это количество бит, воспринимаемых МП как единое целое 4,8,16,32,64 (целые степени числа 2). От разрядности зависят производительность ПК и максимальный объем его внутренней памяти. В компьютере имеется генератор тактовых импульсов, служащих метками времени для синхронизации работы всех устройств. Тактовая частота, измеряется в МГц и определяет производительность (быстродействие) ПК.

В состав МП входят:

Устройство управления (УУ) — координирует работу всех блоков ПК, вырабатывая в определенные моменты нужные сигналы управления.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) — выполняет арифметические и логические операции над числами и символами.

Микропроцессорная память (МПП) — служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в ближайшие такты работы ПК. МПП строится на регистрах и используется для обеспечения высокого быстродействия. Регистры — это быстродействующие ячейки памяти различной длины.

Математический сопроцессор служит для ускоренного выполнения операций над числами с плавающей запятой, для вычисления некоторых трансцендентных, в том числе тригонометрических функций.

Интерфейсная система МП реализует сопряжение и связь с другими устройствами и включает в себя:

внутренний интерфейс МП;

буферные запоминающие регистры;

схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Системная шина — это основная интерфейсная система компьютера, обеспечивающая сопряжение и связь всех его устройств между собой.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

между микропроцессором и основной памятью;

между микропроцессорами и портами ввода-вывода вешних устройств;

между основной памятью и портами ввода-вывода внешних устройств (режим прямого доступа к памяти).

Вся информация хранится в памяти компьютера — запоминающем устройстве, предназначенном для хранения исходной, промежуточной и конечной информации, а также программ по ее обработке.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — служит для хранения неизменяемой (постоянной) информации, позволяет только считывать информацию. ПЗУ является основным и энергонезависимым, т. е. при отключении питания информация в ней сохраняется.

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — служит для оперативной записи, хранения и считывания информации (программ и данных) в процессе ее обработки. ОЗУ — энергозависимая память, т. е. при отключении питания информация в ней теряется. Основу ОЗУ составляют большие интегральные схемы, содержащие матрицы полупроводниковых запоминающих элементов (триггеров). Конструктивно ОЗУ выполнено в виде отдельных микросхем, расположенных на материнской плате ПК. Объем ОЗУ в современных ПК составляет 128 Мбайт и выше. Имеется возможность наращивания ОЗУ.

В ПК имеется также регистровая КЭШ-память. Это высокоскоростная память сравнительно большой емкости является буфером между ОП и МП. Использование КЭШ — памяти позволяет увеличить скорость выполнения операций. Регистры КЭШ-памяти недоступны для пользователя, отсюда и название КЭШ («тайник» в переводе с английского).

В КЭШ-памяти хранятся данные, которые будут использоваться в ближайшее время. МП, начиная с 486 и выше, имеют встроенную КЭШ-память. Может использоваться дополнительная КЭШ-память, размещаемая на материнской плате вне МП, емкость которой может достигать нескольких десятков мегабайт.

Внешняя память или внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) используется для долговременного хранения любой информации, которая может потребоваться когда-либо для решения задач, отдельно от компьютера.

К внешним запоминающим устройствам (ВЗУ) относятся магнитные диски предназначенные для записи, хранения и считывания информации.

Магнитные диски (МД) относятся к магнитным носителям информации. В качестве запоминающей среды у них используются магнитные материалы со специальными свойствами (прямоугольной петлей гистерезиса), позволяющих фиксировать два магнитных состояния — два направления намагниченности. Каждому из этих состояний ставятся в соответствие две двоичные цифры: 0 и 1. Диски бывают жесткими (накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД) — винчестер) и гибкими (накопитель на гибком магнитном диске (НГМД) — дискеты). Устройство для чтения и записи информации на магнитном диске называется дисководом.

Информация на МД записывается и считывается магнитными головками вдоль концентрических окружностей — дорожек (треков) Каждая дорожка МД разбита на сектора. Водном секторе обычно 512 байт данных. Обмен данными между ОП и НМД осуществляется последовательно целым числом секторов. Кластер — это минимальная единица размещения информации на диске, состоящая из одного или нескольких смежных секторов дорожки.

При записи и чтении МД вращается вокруг своей оси, а механизм управления магнитной головкой подволит ее к выбранной дорожке.

Данные на диске храняися в файлах.

Файл — это именованная область внешней памяти, выделенная для хранения массива данных.

Накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД) представляют собой один или несколько жестких дисков из алюминиевых сплавов, покрытых ферролаком, которые вместе с блоком магнитных головок считывания / записи помещены вгерметически закрытый корпус. Емкость НЖМД составляет несколько десятков гигабайт.

Накопители на оптических дисках (НОД) бывают не перезаписываемые и перезаписываемые.

Не перезаписываемые диски обычно называются компакт-дисками (CD ROM). Эти диски поставляются фирмой-изготовителем с уже записанной на них информацией. Запись выполняется лазерным лучом большой мощности, который оставляет на активном слое CD-след — дорожку с микроскопическими впадинками. Появились перезаписываемые лазерно-оптические диски с однократной записью.

Накопители на магнитной ленте (НМЛ) были первыми ВЗУ вычислительных машин. В универсальных ЭВМ широко использовались и используются накопители на бобинной магнитной ленте, а в ПК — накопители на кассетной МЛ. Кассеты с МЛ называются картриджами. Лентопротяжные механизмы называются стриммерами. НМЛ имеют небольшую скорость считывания при большой емкости. Используются для резервного копирования и архивирования информации с жестких дисков, для хранения игр и т. д.

Лекция №6. Внешние (периферийные) устройства и классификации компьютера

Внешние устройства (ВУ) — важнейшая часть любого вычислительного комплекса. Стоимость внешних устройств иногда составляет 50−80% и даже больше стоимости всего ПК. ВУ обеспечивают взаимодействие ПК с внешней средой.

ВЗУ, рассмотренные выше, принято относить к ВУ.

Диалоговые средства пользователя это:

Видеомониторы (дисплеи) Устройства речевого ввода-вывода.

Наибольшее распространение получили мониторы на ЭЛТ. Главным параметром любого монитора является размер диагонали экрана, который принято измерять в дюймах. Дисплеи на ЭЛТ применительно к портативным компьютерам, рынок которых неумолимо растет, имеют два принципиальных неустранимых недостатка — большие габариты и потребляемую мощность.

Дисплеи на жидкокристаллических панелях (ЖК) основаны на изменении оптической поляризации отраженного или проходящего света под действием электрического поля. Достоинствами ЖК-дисплеев являются: радикальное уменьшение размеров и веса, низкое потребление энергии, плоский экран, высокая четкость изображения. ЖК-дисплеи имеют ряд недостатков, обусловленных их природой: низкую контрастность, зависимость качества изображения от угла наблюдения инерционность ячеек. Из-за высокой цены, особенно цветных матриц, эти дисплеи применяются, как правило, лишь в блокнотных ПК, где составляют существенную долю стоимости.

Газоплазменные дисплеи основаны на свечении газа под действием электрического поля. Главным недостатком их является большое потребление энергии, что препятствует применению их в системах с автономным питанием.

Устройства речевого ввода — это различные микрофонные акустические системы, звуковые мыши со сложным программным обеспечением, позволяющие распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать для ввода в ПК.

Устройства речевого вывода — это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через динамики и колонки, подсоединенные к ПК.

Сегодня существует целый ряд устройств для ввода информации в компьютер. К устройствам ввода (УВВ) относятся:

клавиатура;

микрофон;

графические планшеты;

сканеры;

манипуляторы: мышь, трекбол (разновидность мыши, применяемой в портативных ПК), джойстик;

сенсорные экраны.

Графические планшеты служат для ручного ввода графической информации, изображений путем перемещения специального указателя (пера).

Сканеры (читающие автоматы) служат для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей, фотографий и т. д.

Карманная ручка-сканер С-Pen компании C Technologies — снабжена процессором и памятью. Главная особенность этого миниатюрного сканера в быстродействующей цифровой камере, делающей 100 снимков в секунду, а 6 Мб оперативной памяти позволяют сохранить до 2000 страниц отсканированного текста, который можно непосредственно передать в текстовый редактор ПК. Он распознает тексты на 53 языках, а кроме того переводит тексты с английского языка на русский и обратно. Перевод отражается на миниатюрном ЖК дисплее.