Лекции по "Информатике"

Лекция 1.

Основные понятия и определения информатики.

Начало развития информатики как науки положило появление ЭВМ в 50-е годы прошлого столетия.

Выделению информатики в отдельную науку способствовало наличие единой формы представления информации в компьютерах: числовая, символьная и аудиовизуальная (звук, изображение) представляется в двоичной форме.

Необходимость в информатике возникла в связи с использованием ЭВМ и первоначально информатика понималась как наука о вычислениях, но информатика - это не просто наука о ЭВМ.

Информатика - отрасль науки, изучающая структуру и свойства информации, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, передачей, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах человеческой деятельности.

Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров

Основными разделами информатики являются исследование и разработка информационных средств и технологий, программных средств и моделирование предметных областей.

Информация – (данные  - это первичная необработанная информация (какие то первичные сведения о  предметной области),  а информация уже имеет определенный смысл для получателя, т.е. это продукт переработки данных) любые сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования. По способу организации информацию делят на:

• данные (логически неупорядоченный набор сведений);
• структуры данных (логически упорядоченные, организованные наборы данных); к этой группе относят знания - особым образом организованная информация об устройстве множества фактов определенного типа.

Аналоговая (непрерывная) информация характеризуется непрерывной функцией f(t). Источниками аналоговой информации обычно являются объекты природы и производственно-технологических процессов (ртутный или спиртовой столбик термометра – изменяется непрерывно)

Дискретная информация характеризуется, соответственно, дискретной функцией f(t). Дискретными являются сообщения, передаваемые в устном и письменном виде, с помощью жестов, посредством световых и звуковых дискретных сигналов и т.п. (Современная цифровая фотография 10 млн. (или мега) пикселов, которое описывает изображение)

Свойства информации:

• релевантность (степень соответствия информации запросам получателя);
• полнота (свойство информации исчерпывающим для потребителя образом характеризовать отображаемый объект или процесс);
• своевременность (способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени);
• достоверность (свойство информации не иметь скрытых ошибок (например, дезинформация) будут давать стипендию…);
• доступность (свойство информации, характеризующее возможность ее получения данным потребителем);
• защищенность (свойство, характеризующее невозможность несанкционированного использования или изменения);
• эргономичность (свойство, характеризующее удобство формы или объема информации с точки зрения данного потребителя)

 эргономика – научн. дисциплина, комплексно изучающая  человека в конкретных условиях его деятельности в современном производстве с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда, например проектируют станок, то выбирают конструкции элементов с которыми взаимодействует человек с учетом анатомии человеческого тела, опасные места окрашиваются в красный цвет;

• адекватность (свойство информации однозначно соответствовать отображаемому объекту или явлению).

Свойства информации, характеризующие поведение объекта при взаимодействии с другими объектами:

• объем информации;
• способ организации информации.

 

Объект и предмет информатики.

Объект познания - некий  фрагмент реального мира. Один и тот же объект может изучаться различными науками.

Предмет познания - выбранная для исследования методами данной науки сторона (аспект) объекта.

Объектом информатики являются информационные технологии (ИТ).

Информационные технологии - это машинизированные способы обработки, хранения, передачи и использования информации, которые реализуются посредством автоматизированных информационных систем (АИС).

Примеры АИС: автоматизированные системы научных исследований - АСНИ, системы автоматизированного проектирования - САПР, экспертные системы - ЭС и т.д.

ИТ включают в себя технические средства, математическое, алгоритмическое, программное, лингвистическое обеспечения, средства связи.

В формировании ИТ участвуют различные науки: кибернетика, системотехника, теория информации, экономика, правоведение, психология, медицина, педагогика, военные науки и т.д. Каждая из этих наук рассматривает ИТ со своей точки зрения, прилагая к ним свои принципы.

Предметом информатики является информационный ресурс (ИР).

Информационный ресурс - это семантическая информация, т.е. информация в виде понятийного знания. (семантическая – смысловая сторона)

Понятийное знание - это отражение какой-либо стороны объективной реальности, выраженное в виде идей, понятий, представлений о каком-то предмете или явлении, т.е. выраженное семантически.

Существуют также интуитивные знания, идущие из подсознания; чтобы такие знания стали сообщениями, они должны быть выражены в понятийной (семантической) форме.

Основные особенности ИР:

• он практически неисчерпаем в отличие от других видов ресурсов (материальных), по мере развития общества и роста потребления ИР, его запасы растут;
• он сам по себе имеет лишь потенциальное значение и проявляется как движущая сила только в соединении с другими ресурсами (энергией, сырьем, техникой);
• эффективность применения ИР связана с тем, что затраты на усвоение знания значительно меньше, чем затраты на непосредственное генерирование этого знания (легко выучит уже доказанную кем-то теорему);
• в информационном обществе ИР является формой непосредственного включения науки в состав производительных сил (в индустриальном обществе наука выступает опосредованной производительной силой, при этом посредниками являются машины, новые материалы и препараты); использование ИР повышает в10-100 раз производительность труда (напр., основой телематических - безлюдных - систем служат ИР и информационные связи);
• ИР возникает в результате творческой части умственного труда; рутинная часть умственной работы не увеличивает потенциала нужных знаний, поэтому и не ведет к росту ИР;
• превращение знаний в информационный ресурс зависит от возможностей коммуникационной системы общества (если возможности невелики, то при избытке знаний общество будет испытывать недостаток ИР).

Существуют две формы ИР, как отчуждаемых знаний, становящихся сообщениями: пассивная и активная.

Пассивные формы ИР: книги, статьи, банки данных.

Активные формы ИР: модель, алгоритм, проект, программа и база знания (БЗ). Эти формы ИР представляют собой также стадии развития ИР.

Модель - описание системы, отображающее определенную группу ее свойств и позволяющее предсказывать поведение системы в определенном диапазоне условий.

Качество алгоритма зависит от степени его общности.

Информационное общество - это общество, структуры, техническая база и человеческий потенциал которого приспособлены для оптимального превращения знаний в ИР и переработки ИР-са с целью перевода пассивных форм в активные.

Особую роль в активизации информационного потенциала общества играет преобразование традиционных баз данных (БД) в БЗ, основанные на применении искусственного интеллекта (ИИ).

Тогда как БД содержат сведения о количественных и качественных характеристиках конкретных объектов, БЗ содержат выраженные на естественном языке концептуальные знания о классах объектов, их свойствах и логических связях, так, чтобы этим знаниями могла оперировать машина логического вывода как элемент ИИ. Резко актуализировать информационный потенциал общества на основе БЗ общего и специального назначения позволит применение ЭВМ 5-го поколения.

 

Лекция 2. Принципы организации информационных процессов в вычислительных устройствах.

Большинство современных ЭВМ строится на базе принципов, сформулированных в 1945г. американским ученым, одним из “отцов” кибернетики Дж. фон Нейманом. Хотя принципы организации многомашинных и многопроцессорных вычислительных систем существенно отличаются от принципов фон Неймана.

Принципы фон Неймана:

1. основными блоками фон-неймановской машины являются блок управления, арифметико-логическое устройство, память и устройство ввода-вывода;            
2. информация кодируется в двоичной форме и разделяется на единицы, называемые словами (если процессор типа Intel 32-х разрядный, то слово 4 байта, если 16-ти – 2 байта);
3. алгоритм представляется в форме последовательности управляющих слов (команд), которые определяют смысл операции. Совокупность команд называется программой;

4) программы и данные хранятся в одной и той же памяти и кодируются одним и тем же способом, различаясь лишь по способу использования;

5) устройство управления и арифметическое устройство обычно объединяются в одно, называемое центральным процессором (ЦП).  ЦП определяет действия, подлежащие выполнению, путем считывания команд из оперативной памяти. Обработка информации, предписанная алгоритмом, сводится к последовательному выполнению команд в порядке, однозначно определяемом программой.

Основные определения, необходимые для понимания принципов функционирования ЭВМ.

Архитектура ЭВМ — абстрактное определение ЭВМ через описание основных функциональных модулей, машинного языка, используемых структур данных. Одним словом, термин “архитектура” используется для описания возможностей, предоставляемых ЭВМ.

Конфигурация ЭВМ  - более конкретное понятие (например, в ЭВМ может быть один и тот же набор команд, (а значит один и тот же тип процессора), одна и также ширина шины, но  частота процессора может быть больше или меньше, и оперативной памяти больше или меньше), т.е.  - компоновка вычислительного устройства с четким определением характера, количества, взаимосвязей и основных характеристик его функциональных элементов.

Функционирование ЭВМ с шинной организацией.

Принципы фон-Неймана на практике реализуются шинной организацией ЭВМ. В соответствии с приведенными выше принципами фон-Неймана подобная ЭВМ имеет в своем составе следующие функциональные блоки (рис.4.1).

Центральный процессор (ЦП) — выполняет основные операции по обработке данныx и управлению работой других блоков.

В состав ЦП входят: арифметико-логическое устройство (АЛУ), устройство управления (УУ), регистры, кэш-память первого уровня (L1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) обрабатывает информацию, хранящуюся в оперативной памяти. В АЛУ с помощью электронных микросхем выполняются элементарные арифметические и логические операции над данными (сложение, вычитание, сдвиг (если необходимо выполнить операции деления и умножения на 2, 4, 8 …, то быстрее выполнить операцию сдвига,  сдвиг влево равносилен операции умножения на 2, сдвиг вправо – делению на 2, например, число 11010011 (старшие разряды слева, например 123) умн. на 2 соответствует числу (сдвиг влево получим 10100110, т.е. теряем 1, также как и в десятичной 5 и 50 – умножили на 10) ).

 Выполнение операции определяется микрокомандой, получаемой от устройства управления. В зависимости от полученных результатов АЛУ вырабатывает управляющие сигналы,  позволяющие автоматизировать ход вычислительного процесса.

Регистровая память процессора - это набор программно-доступных быстродействующих ячеек памяти.  Они могут использоваться для хранения служебных данных, для хранения данных, обращение к которым происходит многократно.

Например, к регистрам процессора относятся:

-  регистр данных — служит для  хранения промежуточных результатов;

- регистры общего  назначения, имеющиеся во многих ЭВМ, могут использоваться для любых целей. Точное назначение такого регистра определяет программист при написании программы. Они могут использоваться для временного хранения данных.

Кроме перечисленных регистров в состав АЛУ могут входить внутренние системные регистры, не доступные программно и используемые во время внутренних пересылок информации при выполнении команд.

(Количество регистров и связей между ними оказывает существенное влияние на сложность и стоимость процессора. Однако, с другой стороны, наличие большого количества регистров с богатым набором возможностей упрощает программирование и повышает гибкость программного обеспечения.)

Устройство управления (УУ) — вырабатывает последовательность внутренних и внешних управляющих сигналов, обеспечивающих выборку и выполнение команд. УУ интерпретирует команду, выбранную из программной памяти, и формирует для арифметико-логического и других устройств,  требуемый набор команд низкого уровня - микрокоманд. Микрокоманды задают последовательность элементарных низкоуровневых операций - микроопераций (пересылка данных, сдвиг данных, установка и анализ признаков, запоминание результатов и др.) Последовательность микрокоманд, соответствующая одной команде, называется микропрограммой.

В состав УУ входят три устройства:

• регистр команды, который содержит код команды во время ее выполнения;
• программный счетчик, в котором содержится адрес очередной подлежащей выполнению команды;
• регистр адреса, в котором вычисляются адреса операндов, находящихся в памяти.

Память (ЗУ) — устройство, предназначенное для запоминания, хранения и выборки программ и данных. Память состоит из конечного числа ячеек, каждая из которых имеет свой уникальный номер или адрес. Доступ к ячейке осуществляется указанием ее адреса.

Память способна выполнять два вида операций над данными — чтение с сохранением содержимого и запись нового значения со стиранием предыдущего.

Минимально адресуемым элементом памяти является байт — поле из 8 бит. Совокупность битов, которые арифметико-логическое устройство может одновременно поместить в регистр или обработать, называют обычно машинным словом.

Виды памяти:

Для рационального использования ЗУ и достижения максимальной эффективности и экономичности ЗУ распределяют по нескольким иерархическим уровням. Иерархия памяти  - система памяти, состоящая из нескольких ЗУ с различным быстродействием и емкостью.

Уровни  иерархии:

 

 

 

 

 

 

 

 

Системам с несколькими уровнями иерархии свойственна высокая интенсивность обменов программами и данными  между ЗУ различных уровней. Такие обмены отнимают системные ресурсы (время ЦП), но с другой стороны иерархическая организация памяти повышает эффективность системы за счет снижения времени доступа к данным.