1 Определение информатики. Структура предметных областей информатики
 Скачать 90.89 Kb.
|
|
1) Определение информатики. Структура предметных областей информатики. Информа́тика - отрасль науки, изучающая структуру и общие свойства информации, а так же вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переработкой, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах деятельности. Информатика делится на: теоретическую, практическую, техническую, прикладную и естественную информатику. Теоретическая информатика — это научная область, предметом изучения которой являются информация и информационные процессы, в которой осуществляется изобретение и создание новых средств работы с информацией. Теоретическая информатика занимается созданием системы понятий, выявлением общих закономерностей, позволяющих описывать информацию и информационные процессы, протекающие в различных сферах. Практическая информатика занимается инженерией программного обеспечения, т.е. разработками, начиная с идеи до готового программного обеспечения. Практическая информатика предоставляет также необходимые инструменты для разработки программного обеспечения (компиляторы). Техническая информатика занимается аппаратной частью вычислительной техники, компьютерных архитектур и распределенных систем. Таким образом, она обеспечивает связь с электротехникой. Ещё одним важным направлением технической информатики является связь между машинами, которая обеспечивает электронный обмен данными между компьютерами и, следовательно, представляет собой техническую базу для Интернета. Прикладная информатика объединяет конкретные применения информатики в тех или иных областях жизни, науки или производства. Естественная информатика — это естественнонаучное направление, изучающее процессы обработки информации в природе, мозге и человеческом обществе. 2) Фазы развития информатики. Современная интерпретация компьютерной системы. Начальный этап предыстории информатики – освоение человеком развитой устной речи. Членораздельная речь, язык стали специфическим социальным средством хранения и передачи информации. Второй этап – возникновение письменности. На этом этапе резко возросли возможности хранения информации. Человек получил искусственную внешнюю память. Кроме того, возникновение письменности было необходимым условием для начала развития наук. Третий этап – книгопечатание. Его можно смело назвать первой информационной технологией. Воспроизведение информации было поставлено на поток, на промышленную основу. Четвертый (последний) этап предыстории информатики связан с успехами точных наук (прежде всего математики и физики) и начинающейся научно-технической революцией. Этот этап характеризуется возникновением таких мощных средств связи, как радио, телефон и телеграф, а позднее и телевидение. Появились новые возможности получения и хранения информации – фотография и кино. К ним очень важно добавить разработку методов записи информации на магнитные носители (магнитные ленты, диски). С разработкой первых ЭВМ принято связывать возникновение информатики как науки. Для такой привязки имеется несколько причин. Во-первых, сам термин «информатика» появился благодаря развитию вычислительной техники, и поначалу под ним понималась наука о вычислениях. Во-вторых, вся информация, вне зависимости от ее вида, хранится и обрабатывается на ЭВМ в двоичной форме. Так получилось, что компьютер в одной системе объединил хранение и обработку числовой, текстовой (символьной) и аудиовизуальной (звук, изображение) информации. На сегодняшний день информатика представляет собой комплексную научно-техническую дисциплину. Под этим названием объединен довольно обширный комплекс наук, таких, как кибернетика, системотехника, программирование, моделирование и др. Каждая из них занимается изучением одного из аспектов понятия информатики. Учеными прилагаются интенсивные усилия по сближению наук, составляющих информатику. Современная компьютерная система содержит центральный процессор, первичное и вторичное устройства хранения данных (память), устройства ввода и вывода, а также коммуникационные устройства. В современном компьютере можно выделить шесть основных компонентов. Центральный процессор обрабатывает данные и управляет другими устройствами компьютера; первичная память хранит выполняющиеся в данный момент программы и обрабатываемые данные; вторичная память хранит программы и данные для дальнейшего использования; устройства ввода преобразуют данные и инструкции в форму, удобную для обработки в компьютере; устройства вывода представляют информацию, обработанную компьютером, в виде, удобном для человеческого восприятия; коммуникационные устройства управляют приемом и передачей данных в локальных и глобальных сетях. 3) Объектно-ориентированный подход. Основные этапы построения моделей. Объектно-ориентированный подход - это подход, основанный на использовании объектов и классов. Класс – это структура, которая что-то описывает, это просто описание, а не физическое представление. Объект – это уже конкретный экземпляр класса, это что-то физическое. У объекта есть конкретные характеристики. От одного класса может появиться множество объектов, а объект – это конкретный экземпляр класса. У объекта могут быть и различные параметры, которые описывают (или задают) его состояние. Их называют свойствами. Свойство – это очень важное понятие в объектно-ориентированном подходе. Также у объектов существуют методы – процедуры и функции, которые реализуют какие-либо действия, которые можно выполнить над объектом (должны быть в описании класса), либо их может выполнять сам объект. Основные этапы моделирования: 1) Постановка цели моделирования 2) Анализ моделирования объекта и выделение всех его известных свойств 3) Анализ выделенных свойств с точки зрения цели моделирования и определение наиболее существенных 4) Выбор формы представления модели 5) Формализация 6) Анализ полученной модели на непротиворечивость 7) Анализ адекватности полученной модели объекта и цели моделирования 4) Информационные модели. Объекты информации. Дескретное представление информации. Информационная модель — совокупность информации, характеризующая существенные свойства и состояния объекта, процесса, явления, а также взаимосвязь с внешним миром. Объект информации - это объективно существующий результат информационной деятельности, информационный продукт(совокупность данных, сформированная производителем для реального или потенциального распространения), какие-либо документы и ресурсы. В компьютере для представления информации используется двоичное кодирование. Все виды информации в компьютере кодируются на машинном языке, в виде логических последовательностей нулей и единиц. Цифры двоичного кода можно рассматривать как два равновероятных состояния (события). При записи двоичной цифры реализуется выбор одного из двух возможных состояний и, следовательно, она несет количество информации, равное 1 биту. Количество информации в битах равно количеству цифр двоичного машинного кода. 5) Определение алгоритма. Свойства алгоритмов. Виды алгоритмов. Алгоритм – это конечная последовательность указанийна языке понятном исполнителю; задающая процесс решения задач определенного типа, и ведущая к получению результата, однозначно определяемого допустимыми исходными данными. Свойства алгоритма: -Дискретность (в данном случае, разделенность на части) и упорядоченность Алгоритм должен состоять из отдельных действий, которые выполняются последовательно друг за другом. -Детерминированность (однозначная определенность) Многократное применение одного алгоритма к одному и тому же набору исходных данных всегда дает один и тот же результат. -Формальность Алгоритм не должен допускать неоднозначности толкования действий для исполнителя. -Результативность и конечность Работа алгоритма должна завершаться за определенное число шагов, при этом задача должна быть решена. -Массовость Определенный алгоритм должен быть применим ко всем однотипным задачам. Виды алгоритмов: -Линейный (набор команд (указаний), выполняемых последовательно во времени друг за другом); -Разветвляющий (алгоритм, содержащий хотя бы одно условие, в результате проверки которого ЭВМ обеспечивает переход на один из двух возможных шагов); -Циклический (алгоритм, предусматривающий многократное повторение одного и того же действия, одних и тех же операций, над новыми исходными данными); 6) Основные алгоритмические структуры. Блок-схемы алгоритмов. В рамках структурного программирования задачи, имеющие алгоритмическое решение, могут быть описаны с использованием следующих алгоритмических структур: -Следование. Предполагает последовательное выполнение команд сверху вниз. Если алгоритм состоит только из структур следования, то он является линейным. -Ветвление. Выполнение программы идет по одной из двух, нескольких или множества ветвей. Выбор ветви зависит от условия на входе ветвления и поступивших сюда данных. - Цикл. Предполагает возможность многократного повторения определенных действий. Количество повторений зависит от условия цикла. - Функция (подпрограмма). Команды, отделенные от основной программы, выполняются лишь в случае их вызова из основной программы (из любого ее места). Одна и та же функция может вызываться из основной программы сколь угодно раз. Алгоритм можно описать разными способами: словами, на языке программирования, а также с помощью блок-схем. На языке блок-схем каждый шаг алгоритма описывается с помощью соответствующей фигуры, а последовательность выполнения шагов определяется линиями-связями. Блок схемы читаются сверху вниз и слева направо. Блок-схемы полезны тем, что обеспечивают легкую «читаемость» алгоритма. Однако это не всегда так: стоит попытаться нарисовать блок-схему для более-менее сложного алгоритма, как она разрастается до невероятных размеров и теряет все свое наглядное преимущество. Поэтому блок-схемы хороши в структурном программировании для описания коротких алгоритмов. Язык блок-схем прост (хотя существуют его расширенные варианты): Прямоугольник – выполнение действия (например, c = a + b) Ромб – проверка условия (например, a > b). Если условие выполняется, то алгоритм идет по линии «да», если не выполняется – то по линии «нет». Скругленный прямоугольник – начало и конец алгоритма Скошенный прямоугольник – ввод-вывод данных (например, получение значения переменной, вывод результата на экран монитора). 7) Абстрактная машина Тьюринга. Алгоритмы Маркова. В 1936 г. Аланом Тьюрингом для уточнения понятия алгоритма был предложен абстрактный универсальный исполнитель. Его абстрактность заключается в том, что он представляет собой логическую вычислительную конструкцию, а не реальную вычислительную машину. Термин «универсальный исполнитель» говорит о том, что данный исполнитель может имитировать любой другой исполнитель. Например, операции, которые выполняют реальные вычислительные машины можно имитировать на универсальном исполнителе. В последствие, придуманная Тьюрингом вычислительная конструкция была названа машиной Тьюринга. Машина Тьюринга состоит из бесконечной в обе стороны ленты, разделенной на ячейки, и автомата (головки), которая управляется программой. Программы для машин Тьюринга записываются в виде таблицы, где первые столбец и строка содержат буквы внешнего алфавита и возможные внутренние состояния автомата (внутренний алфавит). Содержимое таблицы представляет собой команды для машины Тьюринга. Буква, которую считывает головка в ячейке (над которой она находится в данный момент), и внутренне состояние головки определяют, какую команду нужно выполнить. Команда определяется пересечением символов внешнего и внутреннего алфавитов в таблице. Автомат машины Тьюринга в процессе своей работы может выполнять следующие действия: - Записывать символ внешнего алфавита в ячейку (в том числе и пустой), заменяя находившийся в ней (в том числе и пустой). - Передвигаться на одну ячейку влево или вправо. - Менять свое внутреннее состояние. В середине прошлого века выдающийся русский математик А.А. Марков ввел понятие нормального алгоритма (алгорифма) с целью уточнения понятия "алгоритм". Идеи алгоритмов Маркова положены в основу большой группы языков программирования, получивших название языки логического программирования. Для определения нормального алгоритма Маркова вводится произвольный алфавит - конечное непустое множество символов, при помощи которых описывается алгоритм и данные. В алфавит также включается пустой символ, который мы будем обозначать греческой буквой λ. Под словом понимается любая последовательность непустых символов алфавита либо пустой символ, который обозначает пустое слово. Всякий НАМ определяется конечным упорядоченным множеством пар слов алфавита, называемых подстановками . В паре слов подстановки левое (первое) слово непустое, а правое (второе) слово может быть пустым символом. Для наглядности левое и правое слово разделяются стрелкой. Например,  В качестве данных алгоритма берется любая непустая строка символов. Работа НАМ состоит из последовательности совершенно однотипных шагов. Шаг работы алгоритма может быть описан следующим образом: 1) В упорядоченной последовательности подстановок ищем самую первую подстановку, левое слово которой входит в строку данных. 2) В строке данных ищем самое первое (левое) вхождение левого слова найденной подстановки. 3) Это вхождение в строке данных заменяем на правое слово найденной подстановки (преобразование данных). 8) Системы счисления. Кодирование. Избыточность и помехозащищённость кодов. Система счисления – это способ записи чисел. В позиционных системах счисления количество, обозначаемое цифрой в числе, зависит от ее позиции, а в непозиционных – нет. В двоичной системе счисления используются всего две цифры 0 и 1. Другими словами, двойка является основанием двоичной системы счисления. В шестнадцатеричной системе счисления используются цифры от 0 до 9 и шесть первых латинских букв – A (10), B (11), C (12), D (13), E (14), F (15). Кодирование информации можно определить, как перевод информации, представленной сообщением в первичном алфавите, в последовательность кодов. Любая информация (числовая, текстовая, графическая, звуковая и др.) в памяти компьютера представляется в виде чисел в двоичной системе счисления. Помехозащищенными, или корректирующими кодами называются коды, позволяющие обнаружить или обнаружить и исправить ошибки в кодовых комбинациях. Отсюда и деление этих кодов на две группы: коды с обнаружением ошибок и коды с обнаружением и исправлением ошибок 9) Логика высказываний. Правило преобразования высказываний. Логика высказываний - раздел логики, в котором вопрос об истинности или ложности высказываний рассматривается и решается на основе изучения способа построения высказываний. Пока достаточно того что высказывание может быть простым или сложным, истинным или ложным. Высказывания могут связываться при помощи конъюнкции( "И") и дизъюнкции ("ИЛИ"). Результатом высказывания может быть либо ИСТИНА (1) либо ЛОЖЬ (0). Например, высказывание "Луна - спутник Земли" является простым и истинным. Высказывание "Луна спутник Земли и Солнце спутник Земли" будет сложным, так как состоит из двух простых частей, и ложным, так как Солнце не спутник Земли. Высказывание "Луна спутник Земли или Солнце спутник Земли" будет опять же сложным, но в этот раз оно будет ещё и истинным, так как здесь связь осуществлена при помощи "ИЛИ", то есть достаточно того чтобы было верно хотя бы одна из частей высказывания. 10) Основные логические операции. Таблица истинности. 1) Логическое умножение или конъюнкция: Конъюнкция - это сложное логическое выражение, которое считается истинным в том и только том случае, когда оба простых выражения являются истинными, во всех остальных случаях данное сложное выражение ложно. 2) Логическое сложение или дизъюнкция: Дизъюнкция - это сложное логическое выражение, которое истинно, если хотя бы одно из простых логических выражений истинно и ложно тогда и только тогда, когда оба простых логических выражения ложны. 3) Логическое отрицание или инверсия: Инверсия - это сложное логическое выражение, если исходное логическое выражение истинно, то результат отрицания будет ложным, и наоборот, если исходное логическое выражение ложно, то результат отрицания будет истинным. 4) Логическое следование или импликация: Импликация - это сложное логическое выражение, которое истинно во всех случаях, кроме как из истины следует ложь. 5) Логическая равнозначность или эквивалентность: Эквивалентность - это сложное логическое выражение, которое является истинным тогда и только тогда, когда оба простых логических выражения имеют одинаковую истинность. 11) Законы булевой алгебры. Отрицание, коммутативность, ассоциативность, дистрибутивность. Булева алгебра — раздел математики, изучающий логические выражения и операции. Логические выражения представляют собой высказывания — некоторые утверждения, которым всегда можно сопоставить одно из двух логических значений: ложь или истина (их можно обозначать как 0 и 1, Fи T, falseи true). 1) Закон ассоциативности (сочетательность).  для сложения ( дизъюнкции). для умножения ( конъюнкции).2) Закон коммутативности (переместительность).  для сложения ( дизъюнкции). для умножения ( конъюнкции).3) Закон дистрибутивности (распределительность).  конъюнкция относительно дизъюнкции. дизъюнкция относительно конъюнкции.4) Отрицание.  для сложения ( дизъюнкции). для умножения ( конъюнкции).  для сложения ( дизъюнкции). для умножения (конъюнкции).  - закон двойного отрицания 12) Фон-неймановская модель компьютера. Механизм управления и обмена данными в процессе выполнения программы. Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода. Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через АЛУ. Все команды записываются в ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы. Команда состоит из указания( какую операцию следует выполнить) и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат. АЛУ выполняет указанные командами операции над указанными данными. Из АЛУ результаты выводятся в память или устройство вывода. Принципиальное различие между ЗУ и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода поступают так, как удобно человеку. УУ управляет всеми частями компьютера. От УУ на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии. УУ содержит специальный регистр (ячейку), который называется «счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера. В результате выполнения любой команды счетчик команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. 13) Понятие «операционной системы компьютера». Основные функции ОС |