Учебное пособие 908

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Воронежский государственный архитектурно-строительный университет

В.П. Авдеев, А.Д. Кононов, А.А. Кононов

И Н Ф О Р М А Т И К А

Учебное пособие для подготовки к Интернет – экзамену (часть I)

Воронеж 2010

УДК 004.9 (07) ББК 32.81 я 7

А187

Рецензенты:

кафедра информационных систем Воронежского государственного университета;

С.А. Чепелев, д. т. н., профессор Воронежской государственной лесотехнической академии

Авдеев, В.П. Информатика: учеб. пособие для подготовки к А187 Интернет-экзамену (часть I) / В.П. Авдеев, А.Д. Кононов, А.А.

Кононов; Воронеж. гос. арх.-строит. ун-т. – Воронеж, 2010. – 58 с.

ISBN 978-5-89040-273-8

В соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта рассматриваются основные понятия и методы теории информатики и кодирования; сигналы, данные, информация; процессы сбора, передачи, обработки и накопления информации; технические средства реализации информационных процессов; локальные и глобальные сети ЭВМ и методы защиты информации. Перечисленные темы соответствуют дидактическим единицам DE1, DE2, DE6. Предназначено для студентов 1 курса всех специальностей.

Ил. 2. Табл. 2. Библиогр.: 9 назв.

3

Введение

Государственный образовательный стандарт предъявляет достаточно высокие требования к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы. Так, в дидактические единицы Гос DE1, DE2, DE6 включены такие важные для общего изучения дисциплины «Информатика» темы и задания, как понятия и методы теории информатики

икодирования, общая характеристика процессов сбора, передачи, обработки

инакопления информации, технические средства реализации информационных процессов, локальные и глобальные сети ЭВМ, методы защиты информации. Учебное пособие ставит целью помочь обучающимся в освоении перечисленных тем и заданий, а также в повышении уровня

дидактических единиц DE1, DE2, DE6.

В DE1 (раздел 1) включено изучение таких базовых понятий, как сообщение, данные, сигнал, показатели качества и формы представления информации, системы передачи информации. Рассматриваются меры и единицы количества и объема информации, позиционные системы счисления, логические основы ЭВМ.

DE2 (раздел 2) содержит вопросы истории развития ЭВМ, архитектуры ЭВМ. Уделено внимание составу и назначению основных элементов персонального компьютера (микропроцессор, устройство управления, арифметико-логическое устройство, микропроцессорная память, системная шина). Рассмотрены классификация, принципы работы и основные характеристики запоминающих устройств, устройств ввода-вывода данных.

DE3 (разделы 3,4) посвящена анализу локальных и глобальных сетей ЭВМ, основ компьютерной коммуникации и сетевых технологий обработки данных; сетевых стандартов и сетевого сервиса. Подчеркнута важность защиты информации в компьютерных сетях.

Естественно, в ограниченном объеме учебного пособия невозможно охватить весь круг вопросов, предлагаемых в рамках Интернет-экзамена, тем более, что их база постоянно расширяется. Поэтому некоторая часть вопросов для самопроверки потребует от студентов дополнительного углубленного изучения по библиографическим источникам, указанным в списке рекомендованной литературы.

4

1.Основные понятия и методы теории информатики и кодирования

1.1.Сообщения, данные, сигнал, атрибутивные свойства информации, показатели качества информации, формы представления информации. Системы передачи информации

Информатика - это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров и их взаимодействием со средой применения. Отличие информатики от кибернетики - науки об общих принципах управления в различных системах

– в том, что информатика базируется на свойствах информации и аппаратнопрограммных средствах ее обработки, а в кибернетике акцент делается на разработке концепций и построении моделей объектов с использованием информационного подхода.

Под информацией понимаются сведения о каком-либо событии или предмете, поступающие к получателю извне в результате его взаимодействия с окружающей средой. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие данные. Отличие в том, что данные – это сведения, которые по каким-либо причинам не используются, а только хранятся. Данные превращаются в информацию, если появляется возможность использовать их для уменьшения неполноты знаний (неопределенности) об исследуемом объекте, процессе или явлении.

Возможность и эффективность использования информации обусловливается показателями еѐ качества, к которым относятся:

-репрезентативность - правильность отбора информации для адекватного отражения свойств объекта;

-содержательность - отражает семантическую емкость информации;

-достаточность (полнота) - содержит минимальный, но достаточный для принятия решения набор показателей;

-доступность - возможность получения и преобразования информации;

-актуальность - сохранение ценности информации в момент еѐ использования;

-своевременность - поступление информации не позже заранее назначенного момента времени;

-точность - степень близости получаемой информации к реальному состоянию объекта, процесса, явления;

-достоверность (адекватность) - отражение реально существующих объектов с необходимой точностью;

-устойчивость - способность информации реагировать на изменение исходных данных без нарушения необходимой точности.

Кстати, в философском аспекте атрибутивная концепция квалифицирует информацию как свойство всех материальных объектов, т.е. как атрибут материи.

Под сообщением понимается форма представления информации (текст, речь, изображение, цифровые данные и т.д.).

5

Информация от источника к получателю передается при помощи сигнала. Сигналом называется физический процесс, отображающий сообщение. Обычно под сигналом понимается электрическое возмущение, однозначно отображающее передаваемое сообщение с заданной точностью и пригодное для передачи по каналу связи.

По структуре сообщения сигналы разделяются на дискретные и непрерывные. Дискретными называются сообщения и отображающие их сигналы, которые представляются последовательностью из конечного числа отдельных, резко различимых элементов (буквенный либо цифровой текст, телекодовые сигналы). Непрерывные сообщения характеризуются тем, что два нетождественных сообщения могут отличаться друг от друга сколь угодно мало (речь, музыка, сигналы телеизмерения и телеуправления, с помощью которых передаются данные о плавно изменяющихся величинах).

Возможность дискретного представления информации, заключенной в непрерывной функции времени, базируется на теореме В.А. Котельникова: функция времени с ограниченным спектром полностью (без потери информации) определяется своими мгновенными значениями, отсчитанными

моменты отсчета – тактовыми точками.

Совокупность средств, обеспечивающих передачу сигналов, называется каналом связи (каналом передачи информации). Совокупность канала связи, источника и получателя информации, характеризующаяся определенными способами преобразования переданного сообщения в сигнал и восстановления сообщения по принятому сигналу, называется системой передачи информации. Из-за наличия в канале связи помех, а также вследствие искажений в самой аппаратуре принятое сообщение воспроизводит переданное лишь с определенной степенью точности. Степень этой точности характеризует достоверность передачи. Способность системы противостоять вредному действию помех называется помехоустойчивостью.

Передаваемые в этих системах дискретные сообщения (команды, буквы, цифры) подвергаются кодированию.

Кодирование – это преобразование сообщения в определенные сочетания элементарных дискретных символов, называемых кодовыми комбинациями или словами.

Кодами в технике передачи информации называют системы соответствий между сообщениями и сочетаниями символов (сигналов), при помощи которых эти сообщения могут быть зафиксированы, переданы на расстояние или использованы для дальнейшей обработки. Символы, из которых формируются кодовые комбинации, называются элементами кода. Число m различных элементов, используемых при построении кода, называется основанием кода. Так, в двоичном коде (m=2) элементами являются символы «1» и «0» и соответствующие им сигналы. Число N различных комбинаций называется объемом или мощностью кода. Число n элементов, образующих кодовую комбинацию, называется значностью кода.

6

Коды, в которых каждая кодовая комбинация состоит из одинакового числа элементов, называются равномерными. При помощи такого кода можно передавать N=mn различных кодовых комбинаций.

Вопросы для самопроверки

1.Как Вы представляете себе информационное общество?

2.В чем заключается основной метод, используемый в информатике?

3.Что определяет вербальный характер информации?

4.Какие задачи рассматривает системный анализ?

5.В чем различие информации и данных?

6.Какие существуют показатели качества информации?

7.Какая форма представления информации – непрерывная или дискретная – приемлемы для компьютеров и почему?

8.Сформулируйте теорему Котельникова и поясните ее смысл.

9.В чем состоит процедура дискретизации непрерывной информации?

10.Перечислите свойства информации.

11.Какое свойство информации характеризует возможность ее получения?

12.Какое свойство информации характеризует степень еѐ соответствия реальности?

13.Что такое семантическая емкость информации?

14.В каком виде данные входят в состав команд компьютера?

15.Что может выступать в качестве носителя информации?

16.Что представляет собой канал связи в вычислительной сети?

17.Как связана скорость передачи информации с уровнем помех в системе?

1.2.Меры и единицы количества и объема информации

Итак, информация - это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.

Для измерения информации вводят два параметра: количество информации I и объем данных Vq.

Количество информации I невозможно определить без рассмотрения понятия неопределенности состояния системы (энтропии системы), так как получение информации о какой-либо системе всегда связано с изменением неосведомленности получателя о состоянии этой системы.

Пусть до получения информации потребитель имеет некоторые предварительные (априорные) сведения α. Мерой его неосведомленности о системе является функция H(α). После получения некоторого сообщения β получатель приобрел дополнительную информацию Iβ (α), уменьшившую его

7

априорную неосведомленность так, что апостериорная (после получения сообщения β) неопределенность состояния системы стала Hβ (α).

Тогда количество информации Iβ (α) о системе, полученной в сообщении β, определяется как

Iβ (α) = H(α) - Hβ (α),

т.е. количество информации измеряется изменением (уменьшением) неопределенности состояния системы.

Если конечная неопределенность Hβ (α) обратится в нуль, то первоначальное неполное знание заменится полным знанием и количество

где Pi - вероятность того, что система находится в i – м состоянии.

Для случая когда все состояния системы равновероятны, т.е. их вероятности равны Pi = N1 , еѐ энтропия определяется соотношением

Часто информация кодируется числовыми кодами в той или иной системе счисления, особенно это актуально при представлении в компьютере. Естественно, что одно и то же количество разрядов в разных системах счисления может передать разное число состояний отображаемого

объекта, что можно представить в виде соотношения

N = mn,

где N - число всевозможных отображаемых состояний;

m - основание системы счисления (разнообразие символов, применяемых в алфавите);

n – число разрядов (символов) в комбинации.

При равновероятном появлении любой из кодовых комбинаций количество информации, приобретенной абонентом в результате получения сообщения, будет I = log N = n log m (формула Хартли). Количество информации, содержащееся в сообщениях, является логарифмической мерой числа различных состояний, и в принципе, безразлично, при каком

8

основании вычислять этот логарифм. Обычно основание логарифма выбирают равным двум (из соображений простоты технической реализации устройств ЭВМ), и количество информации получают в двоичных единицах или битах:

и если основание логарифма равно двум, то

H2 = log2 m

и энтропия измеряется в двоичных единицах на элемент сообщения.

Объем данных Vq в сообщении измеряется количеством символов (разрядов) в этом сообщении. В ЭВМ наряду с минимальной единицей измерения данных «бит» широко используется укрупненная единица измерения «байт», равная 8 бит. Для удобства использования введены и более крупные единицы. Так, 1024 байта образуют килобайт (Кбайт), 1024 килобайта – мегабайт (Мбайт), 1024 мегабайта – гигабайт (Гбайт) и т.д.

Вопросы для самопроверки.

1.Как определяется понятие энтропии?

2.В чем суть теорем Шеннона?

3.Каким образом определяется единица количества информации?

4.Какое количество информации уменьшает неопределенность в два раза?

5.Сколько байт необходимо для кодирования числа 312?

6.Какой объем информации содержится в сообщении 2009?

7.Сколько байт в системе кодирования ASCII необходимо для хранения на диске слова ПРОЦЕССОР?

8.Сколько двоичных разрядов достаточно для кодирования 64 различных состояний?

9.В текстовом файле хранится текст объемом в 400 страниц. Каждая страница содержит 3200 символов. Если используется кодировка в KOI-8 (8 бит на 1 символ), то каков будет размер файла?

1.3. Позиционные системы счисления

Понятия «число» и «операции над числами» возникли из практической деятельности людей. На протяжении тысячелетий формы записи чисел претерпели большие изменения. Революционным моментом в совершенствовании записи чисел явилось создание десятичной системы счисления, в которой любое число представляется в виде последовательности

10

счисления с основанием a разделить на основание n. Полученный остаток является младшей цифрой числа в системе с основанием n. Деление продолжается до тех пор, пока частное не станет меньше делителя;

- при переводе правильной дроби из системы счисления с основанием а в систему счисления с основанием n необходимо дробь в системе с основанием a умножить на основание n. Полученная целая часть произведения является старшим дробным разрядом числа в системе счисления с основанием n. Дробную часть уточняют до тех пор, пока не получат требуемое количество знаков после запятой.

Связь между восьмеричной и двоичной системами счисления осуществляется с помощью триад. Триада – это комбинация трех двоичных разрядов. Каждая цифра восьмеричного числа заменяется соответствующей триадой.

Пример. Число 164,728 запишем сразу в двоичной системе счисления 001 110 100, 111 0102. Обратный переход производится разбиением числа на триады влево и вправо от запятой.

Аналогично каждая шестнадцатеричная цифра заменяется тетрадой – комбинацией четырех двоичных разрядов.

Пример. 1D, F16 в двоичной системе будет 0001 1101, 11112. Обратный переход производится разбиением двоичного числа на тетрады с добавлением незначащих нулей до полных тетрад и заменой их на соответствующие шестнадцатеричные цифры.

Вопросы для самопроверки.

1.В чем отличие позиционной системы счисления от непозиционной?

2.Каковы способы перевода чисел из одной системы счисления в другую?

3.Двузначное десятичное число в сумме с числом, записанным теми же цифрами, но в обратном порядке, дает полный квадрат. Найдите все такие числа.

4.Трехзначное десятичное число оканчивается цифрой 3. Если эту цифру переместить через два знака влево, т.е. с этой цифрой будет начинаться запись нового числа, то это новое число будет на единицу больше утроенного исходного числа. Найдите это число.

5.Было 11 яблок. После того, как каждое из них разрезали пополам, стало 110 половинок. В какой системе счисления вели счет?

6.В какой системе счисления верны следующие равенства: