Методичка. Учебное пособие В. М. Лопатин издание второе, стереотипное 1 17
 Скачать 4.33 Mb.
|
|
САНКТПЕТЕРБУРГ МОСКВА КРАСНОДАР 2021 ИНФОРМАТИКА ДЛЯ ИНЖЕНЕРОВ Учебное пособие В. М. ЛОПАТИН Издание второе, стереотипное 1 / 17 © Издательство «Лань», 2021 © В. М. Лопатин, 2021 © Издательство «Лань», художественное оформление, 2021 Îáëîæêà Е. А. ВЛАСОВА УДК 004 ББК 32.973018.2я73 Л 77 Лопатин В. М. Информатика для инженеров: учебное пособие для вузов / В. М. Лопатин. — 2е изд., стер. — Санкт Петербург : Лань, 2021. — 172 с. : ил. — Текст : непосред ственный. ISBN 9785811486144 В компактной и доступной форме представлен общий курс дисциплины «Информатика», предназначенный для студентов высших учебных заведе ний технического профиля. Основная цель издания — внесение вклада в решение актуальной задачи по базовой подготовке технических специа листов. В издание включены основные разделы общего курса: системы коди рования данных, элементы и операции в алгебре логики, архитектура вычислительных систем, базовая конфигурация и программное обеспечение компьютера, методы моделирования и построения алгоритмов, системы и технологии программирования, компьютерные сети. Приведены также описания и примеры использования прикладных программ, которые дают читателю полезную информацию из разных областей знания и позволяют оценить значение информатики в практической деятельности. УДК 004 ББК 32.973018.2я73 2 / 17 3 Введение Информатика относится к общетехническим дисциплинам и входит в си- стему базовых технических знаний, которые активно используются при обуче- нии в высшем учебном заведении и в дальнейшем в процессе всей трудовой де- ятельности. Знания по информатике образуют научный базис, который является основой для разработки аппаратных и программных средств, а также для всесто- роннего развития цифровых технологий и их использования в различных секто- рах экономики. Информатика как учебная дисциплина характеризуется довольно быстрой сменой устаревающих положений новыми научными и практическими достиже- ниями, поэтому отличается ускоренным пополнением учебного материала, а также периодическим внесением изменений в учебные программы и учебную литературу. Учебный материал настоящего издания также составлен с учетом факторов современного развития информационных технологий. В процессе из- ложения материала уровень современных информационных технологий рас- сматривается в аспекте исторического развития основных понятий науки об ин- формации и компьютерной технике. В целом предлагаемое издание можно рас- сматривать как очередной шаг к формированию современного быстроменяюще- гося учебного курса, направленного на повышение уровня подготовки студентов по информатике, включая приобретение навыков обращения к компьютеру при решении производственных и социальных задач. Материал издания сформирован как последовательность основных разделов дисциплины. Тематика разделов посвящена вопросам представления информа- ции в информационно-вычислительной технике, изложению основ аппаратного и программного обеспечения компьютера, описанию широко распространенных операционных систем и программных продуктов, правилам и принципам устрой- ства компьютерных сетей и методам их защиты. Каждый из разделов структури- рован по тематическим вопросам, основные разделы дополнены примерами ис- пользования компьютера при решении практических задач. Для облегчения вос- приятия и запоминания в тексте выделены основные определения и термины. Предложенная форма изложения упрощает процесс подготовки студентов к за- четам и экзаменам, а при необходимости может использоваться для оператив- ного восстановления знаний в области информатики и компьютерной техники. 3 / 17 4 Информатика – наука об автоматической обработке информации Термин «и н ф о р м а т и к а» связан с двумя французскими словами: infor- macion (информация) и automatique (автоматика). Объединение и совместное толкование этих слов позволяет определить информатику как науку об автома- тической обработке информации. Это определение полностью соответствовало уровню развития науки в середине прошлого века. Со временем по мере совер- шенствования вычислительной техники и увеличения ее вклада в промышлен- ную, административную и социальную сферу, первоначальное определение уточнялось и дополнялось. Одно из современных определений может быть представлено через отноше- ние информатики к техническим средствам [1]. И н ф о р м а т и к а – техническая наука, систематизирующая приемы созда- ния, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вы- числительной техники, а также принципы функционирования этих средств и ме- тоды управления ими. Другое определение отражает тесную связь информатики с понятием «ин- формация» [2]. И н ф о р м а т и к а – это наука, изучающая структуру и наиболее общие свой- ства информации, ее поиск, хранение, передачу и обработку с применением ЭВМ. Каждое из приведенных определений не дает полного представления о содер- жании информатики, а их совокупное рассмотрение позволяет связать информа- тику с двумя основными понятиями – «информация» и «вычислительная тех- ника». Поскольку современные аппаратные средства наряду с вычислениями вы- полняют большой объем работ по информационному обеспечению, то понятие вычислительной техники можно заменить информационно-вычислительной тех- никой. С учетом этого дополнения определение информатики можно предста- вить в простой форме. И н ф о р м а т и к а – наука об информации и способах ее обработки с помощью информационно-вычислительных средств. На практике термин «информатика» зачастую подменяют термином «инфор- мационные технологии», поскольку информатика тесно связана со способами об- работки информации, с совокупностью операций, с технологиями. И н ф о р м а ц и о н н а я т е х н о л о г и я (ИТ) – процесс, использующий сово- купность средств и методов сбора, обработки и передачи данных для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления [3]. К объектам, изучаемым информатикой, относятся все средства, которые за- действованы в процессе автоматической или автоматизированной обработки данных (рис. 1): −аппаратное обеспечение – совокупность электронных и механических составляющих информационно-вычислительной техники; −программное обеспечение – совокупность программ, обеспечивающих функционирование аппаратной части и решение задач пользователя; 4 / 17 5 −средства взаимодействия программного и аппаратного обеспечения (программно-аппаратный интерфейс); −средства взаимодействия пользователя с аппаратным и программным обеспечением (интерфейс пользователя). Рис. 1. Схема взаимодействия пользователя с программно-аппаратными средствами Основная цель науки информатики заключается в поиске, развитии и внедре- нии автоматических способов обработки информации в технической, экономи- ческой, образовательной, общественной и других сферах деятельности. Постав- ленная цель достигается путем решения ряда взаимосвязанных задач по различ- ным направлениям деятельности, в том числе: −создание математических моделей и алгоритмов; −создание эффективных программных решений; −совершенствование технических систем управления; −разработка аппаратных средств на новых физических принципах; −разработка социально значимых систем управления; −создание систем искусственного интеллекта и т. д. Результаты развития каждого направления проходят проверку на практике, которая позволяет выделить наиболее эффективные решения и определить ос- новной вектор развития по каждому из направлений. Основным критерием вы- бора является повышение эффективности новых решений и предпочтения сооб- щества пользователей. Основным результатом развития является создание и внедрение современных информационных систем. И н ф о р м а ц и о н н а я с и с т е м а – система, предназначенная для хранения, обработки, поиска, распространения, передачи и предоставления информа- ции [4]. 5 / 17 6 К наиболее известным результатам, полученным на основе достижений в об- ласти информатики и информационных технологий, которые признаны и ак- тивно поддержаны во всех странах, относятся: −создание глобальной компьютерной сети Интернет; −создание глобальной сети мобильной телефонной связи, совмещенной с доступом к информационным ресурсам сети Интернет; −создание и развитие системы социально значимых услуг, в том числе электронных продаж, социальных сетей, образовательных систем и др.; −внедрение локального и глобального контроля в системах жизнеобеспе- чения, транспортных системах, системах навигации и т. д.; −постепенный перевод производственной и социальной сферы на компью- терные системы управления и многое другое. С технической точки зрения все современные информационные системы имеют общие принципы функционирования. 1. В системе осуществляется постоянный сбор данных и контроль характера изменения наблюдаемых данных. 2. Все изменения входных данных автоматически или с участием человека отслеживаются, учитываются и обрабатываются на основе компьютерных про- грамм, которые заложены в систему. 3. На основе обработки поступающих данных программы формируют управ- ляющие сигналы или выдают рекомендации, которые используются для коррек- тировки в автоматизированном или ручном режиме. Результатом работы любой информационной системы является выдача ин- формации, которая необходима для управления процессом или принятия реше- ния. 6 / 17 7 Информация и ее представление в информационно-вычислительной технике Жизнь современного человека, общества, государства наполнена информа- цией. Информационные потоки окружают нас и регулируют нашу жизнь, многие виды общественной деятельности невозможны без постоянно обновляемой ин- формации. В окружающих нас неупорядоченных, на первый взгляд, потоках информа- ции можно отметить некоторые закономерности. В частности, разделить всю ин- формацию на отдельные категории. Категорию простой информации составляют сообщения, поступающие от от- правителя к получателю в форме некоторого физического сигнала, который вы- деляется на фоне шумового информационного потока, например телефонное со- общение или световой сигнал светофора. Другая категория информации представляется в форме некоторого отображе- ния объекта, формируемого в сознании наблюдателя. Для этой категории нали- чие отправителя необязательно, важно наличие наблюдателя, который может сформировать отображение, например представить окружающий ландшафт на основе изучения карты местности. Выделяется также категория информации, которая формируется внутри од- ного объекта, переносится на другой объект неосознанно и влияет на развитие этого объекта без осмысления происходящего. К категории такой информации относятся, например, наследственные признаки. Наличие категорий свидетельствует о широком спектре информационного потока и существенных различиях между составляющими этого потока. По этой причине не всегда удается понять и определить, в чем заключается суть инфор- мации. Определения и основные свойства информации Энциклопедический словарь [5] дает следующее определение термину «ин- формация». Информация(от лат. informatio – осведомление, разъяснение, изложение) – первоначально сведения, передаваемые людьми устным, письменным или дру- гим способом (с помощью условных сигналов, технических средств и т. д.). С се- редины ХХ в. в общенаучное понятие информации входят обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом; обмен сигна- лами в животном и растительном мире; передача признаков от клетки к клетке, от организма к организму. Информация – одно из основных понятий киберне- тики. Кибернетика – наука о системах и методах управления, т. е. об организации и реализации целенаправленных действий в машинах, живых организмах и об- ществе. Кибернетика занимается общими законами преобразования информации в сложных управляющих системах [6]. Основоположник кибернетики – амери- канский математик и философ Норберт Винер. 7 / 17 8 Информация относится к абстрактному понятию, которое имеет множество значений в зависимости от контекста. В узком смысле этого слова – сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления. В широком и бо- лее общем смысле не выработано единого определения этого термина. С точки зрения различных областей знания данное понятие описывается своим специфи- ческим набором признаков. Рассмотрим некоторые определения информации, которые используются в технической литературе. 1. Информация – специфический атрибут реального мира, представляющий собой его реальное отражение в виде совокупности сигналов и проявляющийся при взаимодействии с «приемником» информации, позволяющим выделять, ре- гистрировать эти сигналы из окружающего мира и по тому или иному критерию их идентифицировать [6]. 2. Информация – это сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явле- ниях и процессах независимо от формы их представления, предоставляемые по- лучателю или оцениваемые им с целью выполнения действий, осмысления зна- чения на основе обработки и анализа данных [7]. 3. Информация – это продукт взаимодействия данных и адекватных им ме- тодов. Информация возникает в процессе взаимодействия данных и соответству- ющих методов [1]. Перечень аналогичных определений можно продолжить и дополнить список примерно сотней формулировок, собранных из разных источников и приведен- ных в [8]. Многообразие формулировок свидетельствует о том, что единого под- хода к определению понятия «информация» пока не выработано, но каждое из определений дополняет и уточняет наши знания. Для получения более полного представления об информации можно рассмот- реть различные свойства информации. Прагматические свойства информации, которые проявляются в процессе использования и характеризуют отношение информации к потребителю, выра- жаются в следующем. 1. Объективностьинформации – независимость от методов фиксации, от субъективного мнения или суждения. Поскольку субъективный вклад всегда в той или иной мере присутствует, то объективность информации следует считать величиной относительной. Более объективной считается информация, которая использует минимум субъективных показателей. Видеоинформация будет более объективной в сравнении с рассказом очевидца. 2. Достоверностьинформации – отражение истинного положения дел, ми- нимальное число ошибок при передаче данных. Степень достоверности зависит от соотношения полезного сигнала к сопровождающему его информационному шуму. Достоверность информации увеличивается при увеличении соотношения полезного сигнала к уровню шума и наоборот. Для повышения достоверности необходимо принимать меры по очистке от информационного шума. 3. Адекватностьинформации – уровень соответствия полученной инфор- мации реальному состоянию объекта. Степень адекватности зависит от досто- 8 / 17 9 верности и полноты данных. Недостоверные и неполные данные увеличивают неадекватную составляющую информации. 4. Полнотаинформации – достаточность для понимания и принятия реше- ний или для создания новых данных. Существующую информацию зачастую можно дополнить новыми данными, которые изменят принятое решение, по- этому полнота информации всегда относительна. Для получения полной инфор- мации следует пользоваться различными методами и выбирать те из них, кото- рые обеспечивают достаточность. 5. Доступность информации – возможность получения информации поль- зователем, которая зависит как от наличия данных, так и от присутствия адекват- ного метода для обработки этих данных. Присутствие данных, которые невоз- можно изучить по причине незнания адекватного метода обработки, закрывает доступ к информации. Неадекватные методы в свою очередь приводят к получе- нию недостоверной информации. 6. Точностьинформации – степень близости данных к реальному состоя- нию объекта, процесса, явления. Точность связана с техническими данными и зависит от погрешности приборов, которые используются для определения ре- ального состояния объекта. 7. Актуальностьинформации – важность для настоящего момента времени или насущность. Актуальность информации связана с продолжительностью ее доставки. В случае задержки с доставкой информация становится неактуальной или даже ненужной. 8. Релевантностьинформации– степень соответствия запросам потреби- теля. Термин является одним из основных показателей работы автоматических поисковых систем. Релевантность информации повышается, если по запросу по- требителя поисковая система выдает ожидаемые варианты ответов. 9. Репрезентативностьинформации–способность к отражениюадекват- ного состояния объекта посредством оценки ограниченного объема данных. Применяется при статистической обработке данных, отражает соответствие ха- рактеристик выборки и полного массива данных. 10. Эргономичностьинформации – наглядность и удобство в пользовании с точки зрения потребителя. Эргономичность определяется разными парамет- рами представляемых данных: формат, объем, скорость и т. д. 11. Полезность(ценность) информации определяет степень важности для применения в практической деятельности. Полезность может быть оценена при- менительно к нуждам потребителей или по отношению к результатам решения конкретных задач. Полезность информации оценивается также по ее отношению к совокупности сведений, которыми владеет пользователь. Совокупность сведе- ний, которыми располагает пользователь, называется тезаурусом пользователя. Атрибутивные свойства информации объединяют характеристики, без ко- торых она не может существовать. 1. Неотрывность от источника информации. Информация возникает из пер- воисточника, без которого она существовать не может. Со временем связь с пер- 9 / 17 10 воисточником может быть утеряна, но это не значит, что его совсем не было. Восстановление первоисточника иногда бывает непростой задачей. 2. Неотрывность от физического носителя. Информация всегда где-то хра- нится и не может существовать без привязки к носителю. Одна и та же информа- ция может перемещаться между носителями, но всегда хранится хотя бы на од- ном из них. Отсутствие конкретной информации на всех возможных носителях означает, что такая информация не существует. 3. Непрерывность информации характеризуется потоковым распростране- нием и постепенным накоплением данных на носителях. Непрерывность инфор- мации лежит в основе постоянного развития. 4. Дискретность информации отражает ее способность к распространению отдельными блоками, каждый из которых связан с предыдущим и дополняет его по мере поступления. Каждый из блоков несет дозированную информацию об ограниченном наборе свойств. Совокупность блоков расширяет наши представ- ления об объекте. Динамические свойства отражают процессы изменения информации во времени. 1. Рост информации проявляется в многократном повторении различными источниками, при повторении информация полностью остается у передающей стороны, поэтому рост сопровождается быстрым увеличением числа источников информации. 2. Старение информации связано с потерей ее актуальности, с уменьшением ценности со временем; причиной старения является новая информация, которая частично или полностью опровергает предыдущую. Большой вклад в развитие теории информации внес американский математик и инженер Клод Шеннон. В середине прошлого века он предложил связать ин- формацию с понятием «информационная энтропия». В подходе, предложенном Шенноном, информация определяется как снятая или уменьшенная неопреде- ленность, при этом процесс получения информации характеризуется уменьше- нием неопределенности. Снятие неопределенности можно рассматривать как уменьшение числа возможных вариантов в процессе поиска наиболее подходя- щего решения. Информационная энтропия используется для количественной оценки не- определенности. Максимальное значение энтропии соответствует полной не- определенности, которая характеризуется множеством возможных вариантов ре- шения, ни один из которых не может быть подходящим. Напротив, минимальное значение энтропии означает, что неопределенность полностью исчезла, по- скольку вся информация получена и найдено верное решение. Процесс поиска решения в этой ситуации сопровождается уменьшением энтропии, с одной сто- роны, и, с другой стороны, получением информации, которая требуется для сня- тия неопределенности и уменьшения энтропии. Наряду с термином «информация» в информатике часто используют понятие «данные». Данные в отличие от информации появляются в результате энергети- ческого обмена между объектами, который сопровождается изменением свойств 10 / 17 11 объектов. Следствием изменения свойств объекта является регистрация сигна- лов, а некоторое множество зарегистрированных сигналов объединяется поня- тием «данные». Данные – зарегистрированные в определенном виде сигналы, поступающие из окружающей среды в форме сведений об измерении, наблюдений о событиях, математических выражений, которые пригодны для хранения, переработки и пе- редачи. Как правило, данные фиксируются на носителе в удобной форме, которая позволяет хранить зарегистрированные сигналы и обрабатывать их при необхо- димости или передавать на другой носитель. В процессе хранения данные оста- ются без движения и не являются информацией, но по мере преобразования и передачи могут привести к получению информации и последующему действию, связанному с полученной информацией. Другими словами, преобразование и об- работка данных позволяют получить информацию. С понятием «информация» связан ряд терминов. Сигнал – это закодированное представление данных, которое используется для их передачи с помощью изменяющегося во времени физического процесса. Сообщение – это совокупность данных, которая в результате преобразова- ния и передачи обретает смысловую окраску. Канал связи – это среда для распространения сигналов в совокупности с техническими средствами, которые используются для передачи сообщения от источника к приемнику. Носитель информации – это некоторая среда или объект, в структуре кото- рого сохраняются данные в кодированном виде. Накопитель информации – это устройство для долговременного хранения больших объемов данных. В технике для формирования и передачи сигналов используются электронные устройства, которые допускают работу с сигналами в двух формах: аналоговой и цифровой. Аналоговый сигнал описывается непрерывной функцией, зависящей от вре- мени. Передача аналогового сигнала обеспечивается за счет плавного изменения одного или нескольких параметров сигнала: амплитуды, частоты, фазы. Анало- говый сигнал можно описывать с помощью математической зависимости. На рис. 2 представлен фрагмент гармоничного аналогового сигнала, который опи- сывается математической зависимостью ( ) ( ) 1 0 0 sin ω A t A A t = + + ϕ , где 1 A – постоянная составляющая; 0 A – амплитуда сигнала; ω и ϕ 0 – частота и начальная фаза. Наши органы чувств настроены на прием аналоговых сигналов. Звук мы вос- принимаем как колебания воздушной среды с определенной частотой и ампли- тудой. На прохождение и прием аналогового сигнала сильное влияние могут ока- зывать помехи. 11 / 17 12 Рис. 2. Аналоговый гармоничный сигнал Цифровая форма сигнала основана на представлении аналогового сигнала в виде последовательности чисел заданной разрядности. Для перевода сигнала в цифровую форму выполняют дискретизацию – разбиение временного проме- жутка следования сигнала на короткие временные интервалы, а затем осуществ- ляют квантование – деление максимальной амплитуды сигнала на определенное число уровней. В результате на каждом коротком интервале времени можно определить приближенное или квантованное значение сигнала и записать это значение в численной форме. Если полученную последовательность чисел пере- вести в двоичную систему счисления, то сигнал преобразуется в двоичный код – последовательность нулей и единиц. На графике перевод аналогового сигнала в цифровой выглядит как замена непрерывной кривой на ступенчатую линию (рис. 3). Ширина ступени при этом зависит от степени дискретизации, а высота определяется числом уровней квантования. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой называется оциф- ровкой. Устройство, которое преобразует аналоговый сигнал в цифровой, называ- ется аналого-цифровым преобразователем (АЦП), для обратного преобразования используется цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Точность оцифровки за- висит от количества уровней квантования и интервала дискретизации. Минималь- ное изменение величины аналогового сигнала, которое может быть зарегистриро- вано АЦП, связано с его разрядностью. Разрядность характеризует количество дискретных значений, которые преобразователь обеспечивает на выходе. Рис. 3. Оцифрованный гармоничный сигнал 12 / 17 13 Вся компьютерная техника работает с цифровыми сигналами, представлен- ными в двоичном коде. Такое представление обеспечивает надежную помехоза- щищенность, высокую скорость передачи больших объемов данных, возмож- ность компактного хранения и др. Цифровое формирование сигнала позволяет представить в единой форме (в двоичном коде) числовые, текстовые, графиче- ские, видео-, звуковые и другие данные. Это означает, что всю совокупность цифровых данных можно хранить на одном носителе, передавать по одному ка- налу связи, использовать одни и те же устройства для просмотра, копирования, обработки, удаления данных. |