Учебное пособие по информатике 2014. Основы информатики
 Скачать 4.61 Mb.
|
|
Воронежский институт высоких технологий Российский Новый Университет (Воронежский филиал) И.Я. Львович, Ю.П. Преображенский, В.В. Ермолова ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ Учебное пособие Воронеж 2014 2 УДК ББК Основы информатики: Учеб. пособие /И.Я. Львович, Ю.П. Преображенский, В.В. Ермолова. ВИВТ, Воронеж, 2014, 253 с. В учебном пособии в рамках Федеральных государственных образовательных стандартов рассматриваются понятия информатики, информационных процессов систем и технологий. Подробно рассмотрены математические основы цифровых автоматов, кодирования; алгоритмические основы программирования и управления. Большое внимание уделено прикладным вопросам информатики, сетевым информационным технологиям. Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Информационные системы и технологии» и «Информатика и вычислительная техника», а также для магистров и аспирантов. Табл. 19, Ил. 87., Библиогр. 20 назв. Печатается по решению Учебно-методического совета Воронежского института высоких технологий. Научный редактор: Заслуженный деятель науки РФ, д-р техн. наук, профессор, академик РАЕН Я.Е. Львович Рецензенты: д-р техн. наук , проф. каф. САПРИС ВГТУ Юрочкин А.Г. д-р техн. наук, проф., зав.каф. ТАСЭМ ВГТУ Чопоров О.Н. © Львович И.Я., Преображенский Ю.П., Ермолова В.В., 2014 © Воронежский институт высоких технологий, 2014 ISBN 3 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 5 1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ И ПОДХОДЫ К ЕЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКЕ 6 1.1 Понятие и виды информации 6 1.2 Структурная мера информации 12 1.3 Статистическая мера информации 14 1.4 Семантическая мера информации 16 1.5 Преобразование информации 17 1.6 Формы представления информации 22 1.7 Передача информации 24 1.8 Общая характеристика фаз преобразования информации 27 Контрольные вопросы 30 2. АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ 31 2.1 Свойства алгоритмов 31 2.2 Виды алгоритмов и их реализация 33 2.3 Методы представления алгоритмов 34 2.4 Порядок разработки иерархической схемы реализации алгоритмов 38 2.5 Нормальный алгоритм Маркова 39 2.6 Языки программирования 44 2.7 Жизненный цикл программного обеспечения 56 2.8 Основы технологии разработки программ 58 Контрольные вопросы 65 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ 66 3.1 Понятие дискретного автомата 66 3.2 Машина Тьюринга 80 3.3 Кодирование информации 83 3.4 Системы счисления 94 4 3.5 Представление данных в компьютере 103 Контрольные вопросы 115 4. ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА 116 4.1 Автоматизация деятельности на основе алгоритмизации 116 4.2 Методы автоматизации бизнес-процессов 118 4.3 Базовые понятия и технологии управления данными 122 4.4 Базовые сведения о компьютерной графике и геометрии 139 4.5 Введение в информационную безопасность 154 Контрольные вопросы 169 5. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ 170 5.1 Операционные системы 170 5.2 Файловые системы 180 5.3 Принципы организации ЭВМ 196 5.4 Сетевые технологии обработки данных 209 5.5 IPv4-адресация 231 5.6 Сеть Internet 236 5.7 Протокол IPv6. Проблемы и перспективы развития Internet- адресации 242 Контрольные вопросы 245 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 246 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 247 ПРИЛОЖЕНИЕ 248 5 ВВЕДЕНИЕ В учебных планах подготовки бакалавров по направлениям «Информатика и вычислительная техника» и "Информационные системы и технологии" дисциплина «Информатика» входит в состав базовой части математического и естественнонаучного цикла дисциплин. Она создает теоретическую основу для изложения и понимания таких курсов, как «Теория информационных процессов и систем», "Информационные технологии", "Архитектура информационных систем", «Управление данными», «Технологии программирования» и других фундаментальных дисциплин технического профиля. Целями данного учебного пособия являются: 1) осуществить четкое изложение основных понятий и современных подходов к информатике как самостоятельной науке естественнонаучного направления; 2) на основании анализа объекта и предметной области информатики изложить фундаментальные категории и аксиомы, которые служат стержнем информатики как науки; 3) дать математические основы информатики как основу, инструмент для решения прикладных задач; 4) показать студенту возможность построения «дерева» информатики, базируясь на триадах «информация – информационные технологии – информационный ресурс» и «модель – алгоритм – программа»; 5) заложить первоначальные основы знаний студентам первого курса по структуре и функциям блоков ЭВМ, алгоритмизации и программированию. 6 1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ И ПОДХОДЫ К ЕЕ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКЕ 1.1 Понятие и виды информации Термин "информация" происходит от латинского слова "Informatio" – разъяснение, изложение, осведомленность. Можно считать, что этот термин в начальном представлении является общим понятием, означающим некоторые сведения, совокупность данных, знаний и т.д. Понятие информации должно быть связано с определенным объектом, свойства которого она отражает. Кроме того, наблюдается относительная независимость информации от ее носителя, поскольку возможны ее преобразование и передача по различным физическим средам с помощью разнообразных физических сигналов безотносительно к ее содержанию, т.е. к семантике, что и явилось центральным вопросом многих исследований, в том числе и в философской науке. Информация о любом материальном объекте может быть получена путем наблюдения, натурного либо вычислительного эксперимента, а также на основе логического вывода. Поэтому говорят о доопытной (или априорной) информации и послеопытной (т.е. апостериорной), полученной в итоге эксперимента. Для человека любое восприятие реальных объектов окружающей действительности происходит через ощущения. Органы чувств человека и высшая нервная система позволяют ему воспринимать объекты. При обмене информацией существуют источник в виде объекта материального мира и приемник - человек либо какой-то материальный объект. Информация возникает за счет отражения, которое является свойством всей материи, любой материальной системы. Свойство отражения совершенствуется по мере развития материи от элементарного отражения до высшей его формы – сознания. Процесс отражения означает взаимодействие объектов материального мира. Этот процесс наиболее прост в неорганической природе. Здесь преобладают механические, химические и физические взаимодействия. При таком отражении объекты пассивны. Новые формы отражения (физиологическое и психологическое) возникают в органической природе. В живом организме на основе отражения формируется способность приспосабливаться к изменяющимся окружающим условиям. У человека получают развитие более сложные формы отражения: познавательная и творческая. Эти формы носят сознательный характер и позволяют человеку активно воздействовать на окружающий мир. Рассмотрим некоторую классификацию информации. Для того, чтобы она была полезной, она должна быть основана на некоторой системе. Обычно при классификации объектов одной природы в качестве базы для классификации используется то или иное свойство (или их набор) объектов. Как правило, свойства объектов можно разделить на два больших класса: внешние и внутренние свойства. Внутренние свойства - это свойства, органически присущие объекту. 7 Они обычно «скрыты» от изучающего объект и проявляют себя косвенным образом при взаимодействии данного объекта с другими. Внешние свойства - это свойства, характеризующие поведение объекта при взаимодействии с другими объектами. Поясним сказанное на примере. Масса является внутренним свойством вещества (материи). Проявляет же она себя во взаимодействии или в ходе некоторого процесса. Отсюда появляются такие понятия физики, как гравитационная масса и инерциальная масса, которые можно было бы назвать внешними свойствами вещества. Подобное разделение свойств можно привести и для информации. Для любой информации можно указать три объекта взаимодействия: источник информации, приемник информации (ее потребитель) и объект или явление, которые данная информация отражает. Поэтому можно выделить три группы внешних свойств, важнейшими из которых являются свойства информации с точки зрения потребителя. Качество информации - обобщенная положительная характеристика информации, отражающая степень ее полезности для пользователя. Показатель качества - одно из важных положительных свойств информации (с позиции потребителя). Любое отрицательное свойство может быть заменено обратным ему, положительным. Чаще всего рассматривают показатели качества, которые можно выразить числом, и такие показатели являются количественными характеристиками положительных свойств информации. Обзор приведенных ситуаций позволяет сформулировать следующие определения свойств информации. Релевантность - способность информации соответствовать нуждам (запросам) потребителя. Полнота - свойство информации исчерпывающе (для данного потребителя) характеризовать отображаемый объект и / или процесс. Своевременность (актуальность) - способность информации соответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени. Достоверность - свойство информации не иметь скрытых ошибок. 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. Адекватность - свойство информации однозначно соответствовать отображаемому объекту или явлению. Адекватность оказывается для потребителя внутренним свойством информации, проявляющем себя через релевантность и достоверность. Выделяют следующие аспекты информации: прагматический, семантический, 8 синтаксический. Прагматический аспект связан с возможностью достижения поставленной цели с использованием получаемой информации. Этот аспект информации влияет на поведение потребителя. Если информация была эффективной, то поведение потребителя меняется в желаемом направлении, т. е. информация имеет прагматическое содержание. Таким образом, этот аспект характеризует поведенческую сторону проблемы. Семантический аспект позволяет оценить смысл передаваемой информации, соотнося ее с информацией, хранящейся до появления данной. Семантические связи между словами или другими смысловыми элементами языка отражают словарь – тезаурус. Он состоит из двух частей: списка слов и устойчивых словосочетаний, которые сгруппированы по смыслу, и некоторого ключа, т е. алфавитного словаря, позволяющего расположить слова и словосочетания в определенном порядке. Тезаурус имеет особое значение в системах хранения информации, в которые могут вводиться семантические отношения, в основном подчинения, что позволяет на логическом уровне осуществлять организацию информации в виде отдельных записей, массивов и их комплексов. Существуют развитые тезаурусы, в которые включаются сложные высказывания и семантические связи между ними. Это позволяет хранить более сложную информацию и детально оценивать семантическое содержание вновь поступающей информации. Наличие тезауруса позволяет переводить поступающую семантическую информацию на некоторый стандартизированный семантический язык в соответствии с выбранным тезаурусом. Таким образом, при возникновении информации можно изменить исходный тезаурус. Степень изменения тезауруса может быть принята как характеристика количества информации. Пример тезауруса Приведем пример русско-английского тезауруса предметной области «Автоматический оптический контроль печатных плат». Особенность данной предметной области состоит в том, что она находится на стыке двух дисциплин: технологии производства печатных плат и машинного зрения, соответственно – термины «происходят» из разных терминосистем. Основным методом составления словаря была интроспекция, в качестве вспомогательного материала были использованы статьи, отечественные стандарты, словари по машинному зрению и компьютерной графике, словарь по технологии изготовления печатных плат. В тезаурус вошло около 200 концепций, 800 английских и русских терминов и 700 однонаправленных связей между концепциями. В тезаурусе использованы следующие типы связей: род – вид, часть – целое, следует – предшествует, используется для – использует, носитель свойства – свойство (асимметричные связи), а также ассоциация, коррелят (симметричные связи). «Концентраторами» (hubs) тезаурусной сети являются 9 концепции дефект (26 смежных концепций), печатная плата (23 смежные концепции), автоматический оптический контроль (17 смежных концепций). На рисунке 1.1 представлен фрагмент тезаурусной сети (чтобы не перегружать рисунок, для каждой пары отображена только одна связь). Синтаксический аспект информации связан со способом ее представления. В зависимости от реального процесса, в котором участвует информация, т.е. осуществляется ее сбор, передача, преобразование, отображение, представление, ввод или вывод, она представляется в виде специальных знаков, символов. Характерным носителем информации является сообщение, под которым обычно понимают все то, что подлежит передаче. Сообщения представляют в виде электрического сигнала, передаваемого по выбранной физической среде. Для этого сообщение подвергают преобразованию, т. е. придают ему электрический характер, далее кодированию, при котором сообщение превращается в некоторую, последовательность символов, однозначно его отображающих, и модуляции, при которой каждый элемент кода (либо код в целом) переводится в электрический сигнал, способный передаваться на заданное расстояние по выбранному каналу связи. Процессы преобразования, кодирования и модуляции исключительно многообразны, а синтаксический аспект информации при ее передаче в настоящее время хорошо развит. Иной характер синтаксический аспект имеет, например, при хранении информации. В этом случае могут быть предложены такие формы, при которых удается осуществить быстрый поиск, введение новой информации, вывод требуемой информации из информационной базы и в целом обновления базы данных. Требуемому представлению информации при ее контактная площадка pad flash land посадочное место ассоциация целое целое коррелят plated through hole металлизированное отверстие непроводящий рисунок non-conductive pattern conductor pattern проводящий рисунок conductor layout guarantee belt гарантийный поясок Рисунок 1.1 – Фрагмент тезаурусной сети 10 хранении отвечают разработанные к настоящему времени типовые структуры баз и банков данных, которые позволяют наилучшим образом реализовать информационное обслуживание пользователей в системе управления. Таким образом, развитие общества привело к тому, что оказалось необходимым хранить, обрабатывать, передавать, преобразовывать огромные объемы данных. Виды информации Все виды деятельности человека по преобразованию природы и общества сопровождались получением новой информации. Логическая, адекватно отображающая объективные закономерности природы, общества и мышления получила название научной информации. Ее делят по областям получения или пользования на следующие виды: политическую, техническую, биологическую, химическую, физическую и т.д.; по назначению – на массовую и специальную. Часть информации, которая занесена на бумажный носитель, получила название документальной информации. Любое производство при функционировании требует перемещения документов, т.е. возникает документооборот. Для автоматизированных систем управления информация в документах составляет внешнее информационное обеспечение. В то же время большая часть информации хранится в памяти ЭВМ на магнитных и оптических дисках и т.д. Она определяется как внутримашинное информационное обеспечение. Наряду с научной информацией в сфере техники при решении производственных задач используется техническая информация. Она сопровождает разработку новых изделий, материалов, конструкций агрегатов, технологических процессов. Научную и техническую информацию объединяют термином научно-техническая информация; в сфере материального производства может циркулировать технологическая информация, закрепленная в конструкторско-технологической документации. В плановых расчетах существует планово-экономическая информация, которая содержит интегральные сведения о ходе производства, значения различных экономических показателей. Информация с точки зрения ее возникновения и совершенствования проходит следующий путь: человек наблюдает некоторый факт окружающей действительности, это факт отражается в виде совокупности данных, при последующем структурировании в соответствии с конкретной предметной областью данные превращаются в знания. Таким образом, верхним уровнем информации как результата отражения окружающей действительности (результата мышления) являются знания. Знания возникают как итог теоретической и практической деятельности. Информация в виде знаний отличается высокой структуризацией. Это позволяет выделить полезную информацию при анализе окружающих нас физических, химических и прочих процессов и явлений. На основе структуризации информации формируется информационная модель объекта. По мере развития общества 11 информация как совокупность научно-технических данных и знаний превращается в базу системы информационного обслуживания научно- технической деятельности общества. В настоящее время информация используется всеми отраслями народного хозяйства и, наряду с энергией, полезными ископаемыми, является ресурсом общества. С развитием общества возникает необходимость целесообразной организации информационного ресурса, т.е. конкретизации имеющихся фактов, данных и знаний по направлениям науки и техники. Признание информации как ресурса и появление понятия "информационный ресурс" дало толчок развитию нового научного направления – информатики. Информатика, как область науки и техники, связана со сбором и переработкой больших объемов информации на основе современных программно-аппаратных средств вычислительной техники и техники связи. Информатика изучает свойства информационных ресурсов, разрабатывает эффективные методы и средства их организации, преобразования и применения. На основе достижений информатики формируются новые методы и алгоритмы преобразования информации, при которых неквалифицированный в области вычислительной техники пользователь на языке, близком к естественному, может общаться с вычислительной средой для решения требуемых практических задач. На пользовательском уровне информатика дает основу для создания современных информационных систем, таких как автоматизированные системы управления, автоматизированные системы научных исследований, информационно-справочные системы, интеллектуальные системы, системы управления реального времени и др. Учитывая, что техническими средствами информатики являются вычислительные средства, ее современное состояние и направления дальнейшего развития в значительной степени определяются перспективами создания, развития и внедрения персональных ЭВМ, сетей связи, языков общения пользователя с вычислительной техникой. Информатика, как область науки и техники, требует своего дальнейшего развития. В качестве основных направлений исследований в области информатики можно определить следующее: разработка новой информационной технологии проектирования систем; развитие интеллектуальных методов доступа пользователя к вычислительной среде; создание моделей анализа и синтеза информационных процессов; совершенствование программных и аппаратных средств вычислительной техники и техники связи; переход к интеллектуальным АСОИУ (автоматизированная система обработки информации управления) на основе гибридных экспертных систем. Информационные меры, как правило, рассматриваются в трех аспектах: структурном, статистическом и семантическом. В структурном аспекте рассматривается строение массивов информации и их измерение простым подсчетом информационных элементов или комбинаторным методом. Структурный подход применяется 12 для оценки возможностей информационных систем вне зависимости от условий их применения. При статистическом подходе используется понятие энтропии как меры неопределенности, учитывающей вероятность появления и информативность того или иного сообщения. Статистический подход учитывает конкретные условия применения информационных систем. Семантический подход позволяет выделить полезность или ценность информационного сообщения. |