Список используемых сокращений и обозначений

И Н Ф О Р М А Т И К А

И

П Р О Г Р А М М И Р О В А Н И Е

Учебник

Том 1

Основы информатики

Рекомендовано
учебно-методическим объединением вузов
 по  образованию в качестве учебника для студентов высших
учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки
«Информатика и вычислительная техника »

Москва

Издательский центр «Академия»

2011

УДК 681.33

ББК 32.973

П73

Р е ц е н з е н т ы

П73 Информатика и программирование. Том 1. Основы информатики:
учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Под ред. Б.Г. Трусова – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 255 с.

ISBN 5-

В учебнике представлены разделы информатики, охватывающие основные вопросы теории информации, перевода чисел из одной системы счисления в другую, представления чисел и символов в памяти ЭВМ, представления и вывода знаний, функционирования аппаратного обеспечения, алгоритмизации, принципов работы различных программных продуктов, устройства вычислительных сетей.

Изложенный материал может быть использован в качестве основы при подготовке лекционного курса, для теоретических и практических занятий, а также для индивидуальной и самостоятельной работы студентов, обучающихся по направлению подготовки «Прикладная информатика» или изучающих дисциплину «Информатика».

УДК 681.33

ББК32.973

ISBN

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2011

© Оформление. Издательский центр «Академия», 2011

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ
СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

БД – база данных.

БЗ – база знаний.

ВЗУ – внешнее запоминающее устройство.

КВЗУ – контроллер внешнего запоминающего устройства.

КПВВ – контроллер порта ввода-вывода.

МП – микропроцессор.

ОЗУ – оперативное запоминающее устройство.

ОС – операционная система.

ПЗУ – постоянное запоминающее устройство.

ПО – программное обеспечение.

РГРТУ – Рязанский государственный радиотехнический университет.

СУБД – система управления базами данных.

ЭВМ – электронно-вычислительная машина.

ЯВУ – язык высокого уровня.

ARPAnet – Advanced Research Project Agency Network (сеть агентства проекта перспективных разработок).

CD – Compact Disc (компакт диск).

CPU – Central Processing Unit (центральный обрабатывающий модуль, микропроцессор).

DNS – Domain Name System (система доменных имен).

DVD – Digital Versatile Disc (цифровой универсальный диск).

FAT – File Allocation Table (таблица размещения файлов).

FTP – File Transfer Protocol (протокол передачи файлов).

HTTP – Hypertext Transfer Protocol (протокол передачи гипертекста).

IMAP – Internet Message Access Protocol (протокол доступа к Интернет-сообщениям).

IP – Internet Protocol (Интернет-протокол).

NTFS – New Technology File System (файловая система нового типа).

OSI – Open System Interconnection (взаимодействие открытых систем)

SMTP – Simple Mail Transfer Protocol (протокол пересылки почты).

TCP – Transmission Control Protocol (протокол управления передачей).

URL – Uniform Resource Locator (унифицированный указатель ресурса).

USB – Universal Serial Bus (универсальная последовательная шина).

WWW – World Wide Web (Всемирная сеть).

□ – конец примера.

ВВЕДЕНИЕ

Информационная революция второй половины ХХ века – начала XXI века, связанная с изобретением и развитием микропроцессорных систем и созданием современных информационных коммуникаций, компьютерных сетей и систем передачи данных, привела к созданию новой отрасли – информационной индустрии, направленной на производство технических средств и создание новых технологий производства знаний. Возникновение новой индустрии производства знаний привело к глобальным изменениям в обществе – информатизации общества. Информатизация общества заключается в вовлечении всех его членов в общий процесс производства и реализации знаний на базе новых компьютерных и телекоммуникационных технологий. Информатизация общества потребовала от всех его членов определенного уровня информационной культуры, определенных базовых знаний и умения целенаправленно использовать в своей деятельности современные информационные технологии, технические средства и методы. Научным фундаментом процесса информатизации современного общества и развития информационной индустрии является новая научная дисциплина – информатика.

Информатика является базовой учебной дисциплиной, охватывающей основные вопросы по изучению технических, программных и алгоритмических средств организации современных информационных систем и формирующей у обучаемого определенный кругозор, объем знаний, уровень алгоритмического мышления, а также практические навыки работы с конкретными программными системами, необходимыми для его дальнейшего обучения по применению информационных систем в определенных областях человеческой деятельности.

При написании учебника авторами были поставлены две задачи. Во-первых, дать читателю как можно более полное представление о разделах информатики и задачах, которые решаются в каждом разделе. Во-вторых, изложить материал просто и понятно. Для этого используются примеры, поясняющие теоретический материал. Конец примера обозначен знаком □.

Учебник состоит из одинадцати глав, каждая из которых посвящена одному из разделов информатики.

В первой главе рассматривается структура информатики. Информатика изучает процессы обработки, представления и измерения информации. Информатика связана с другими науками, например, с математикой и включает ряд разделов, изучающих теорию информации, аппаратное и программное обеспечение ЭВМ, информационные системы и системы искусственного интеллекта.

Во второй главе рассматриваются основные понятия теории информации: информация и данные. Несмотря на то, что информация нематериальна, можно измерять количество, адекватность и качество информации. Для измерения информации используются вероятностный и объемный подходы. Вероятностный подход основан на понятии энтропии. Объемный подход заключается в вычислении числа элементарных единиц информации (бит).

Третья глава посвящена информационным процессам, системам и технологиям. Информационными процессами называют любые операции с информацией: сбор, обработка, выдача. Как правило, информационные процессы используются в информационных системах – программно-аппаратных комплексах для обработки информации. Информационные технологии – это процессы переработки исходной информации в вид, который необходим потребителю информации. Для получения информационного продукта применяются информационные процессы и системы.

В четвертой главе рассматриваются системы счисления, использующиеся в ЭВМ. Для перевода числа из одной системы счисления в другую существуют правила перевода целой и дробной частей, использующие арифметические операции сложения, умножения, целочисленного деления и получения остатка от деления.

Пятая глава посвящена представлению чисел и символов в памяти ЭВМ. Целые и вещественные числа и символы хранятся в виде последовательностей нулей и единиц. Правила записи последовательностей называются форматами. Форматы оптимизированы для ускорения логических и арифметических операций в ЭВМ.

В шестой главе рассмотрены логические основы ЭВМ. Особенностью алгебры логики или алгебры высказываний является то, что логические переменные и результаты логических операций принимают всего два значения: 0 и 1. Все арифметические операции в ЭВМ можно реализовать с помощью логических операций, поэтому в ЭВМ применяются логические элементы.

Седьмая глава посвящена моделям представления знаний: логическим, фреймовым, продукционным моделям и семантическим сетям. В отличие от данных, знания активны и способны порождать новые знания. Поэтому задачей модели представления является не только хранение знаний, но и обеспечение вывода новых знаний. Для каждой модели представления знаний приводится пример логического вывода. Данная глава основана на лекциях С.П. Хабарова [43] и других работах.

В восьмой главе рассматривается аппаратное обеспечение ЭВМ, его составные части. ЭВМ делят на четыре поколения. Пятое поколение существует лишь в теории и реализовано лишь частично. Основой любой ЭВМ является микропроцессор. Микропроцессор выполняет логические и арифметические операции и связан системной шиной с запоминающими и периферийными устройствами.

В девятой главе рассматриваются основы алгоритмизации. Аппаратное обеспечение ЭВМ работает под управлением различных программ. В основе программ лежит алгоритм – последовательность действий, необходимых для достижения результата. В главе рассматриваются способы записи алгоритмов в виде блок-схем, структурограмм и словесно, основные алгоримические структуры, а также правила разработки и описания алгоритмов решения задач.

Десятая глава посвящена программному обеспечению ЭВМ. В главе рассматриваются различные типы программного обеспечения: операционные системы, драйверы устройств, архиваторы, базы данных. Разделы, посвященные текстовым и табличным процессорам, подготовлены на основе лекций по дисциплине «Пакеты прикладных программ».

Одиннадцатая глава посвящена сетевым технологиям. В главе рассматриваются устройство и принципы функционирования локальных и глобальных сетей, основные протоколы передачи. В настоящее время большое значение в жизни общества имеет глобальная информационная сеть Интернет, ставшая средством для хранения и обмена информацией. Сеть Интернет включает несколько служб: электронную почту, Всемирную Сеть и службу передачи файлов, которые нашли широкое применение.

Учебник может использоваться как основа для подготовки лекций преподавателями, так и для самостоятельной работы студентов.

Глава 1.ИНФОРМАТИКА – НАУКА И ВИД ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

1.1.Информатика и ее структура

Информатика – это наука и вид практической деятельности, связанные с процессами обработки информации с помощью вычислительной техники.

Термин информатика произошел от слияния двух французских слов Informacion (информация) и Automatique (автоматика) и дословно определял новую науку об «автоматической обработке информации». В англоязычных странах информатика называется Computer Science (наука о компьютерной технике).

Информатика представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации с помощью вычислительной техники и телекоммуникационных средств связи в различных сферах человеческой деятельности.

Основная задача информатики заключается в определении общих закономерностей процессов обработки информации: создания, передачи, хранения и использования в различных сферах человеческой деятельности. Прикладные задачи заключаются в разработке методов, необходимых для реализации информационных процессов с использованием технических средств.

Информатика включает следующие разделы.

I. Теоретическая информатика – это часть информатики, включающая ряд подразделов, тесно связанных с другой наукой – математикой. В теории информации и кодирования изучается информация как таковая, ее свойства, способы измерения количества информации. Областью исследования теории алгоритмов и автоматов являются методы переработки информации с помощью вычислительных систем. Теория формальных языков и грамматик рассматривает правила построения простейших языков с небольшим числом синтаксических конструкций, называемых языками программирования. Теория принятия решений и исследования операций связана с использование информации для принятия решений и оценки их оптимальности. Теоретическая информатика использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации.

II. Вычислительная техника – это раздел, включающий общие принципы построения вычислительных систем. Примером вычислительной системы является персональный компьютер или ЭВМ. Этот раздел не связан с вопросами физической разработки, реализации и производства элементов вычислительных систем. Здесь рассматривается архитектура вычислительных систем – соглашение о составе, назначении, функциональных возможностях и принципах взаимодействия элементов внутри вычислительных систем и вычислительной системы с другими устройствами. Примерами принципиальных, ставших классическими решений в этой области являются архитектура фон Неймана компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ, архитектура параллельной или многопроцессорной обработки информации.

III. Программирование – это деятельность, направленная на разработку программного обеспечения вычислительной техники. Программирование делится на разделы, связанные с разработкой соответствующих типов программного обеспечения. Программное обеспечение, непосредственно управляющее составными частями вычислительной техники, называется системным. К системному программному обеспечению относят операционные системы и драйвера устройств. Служебное программное обеспечение – это архиваторы, антивирусы, программы управления файлами и папками. Служебное программное обеспечение предназначено для выполнения некоторых вспомогательных функций. Прикладное программное обеспечение – это программы для решения большинства задач пользователя. Прикладное программное обеспечение включает офисные, графические, справочные программы, среды разработки программ и др.

IV. Информационные системы – это раздел информатики, связанный с решением проблем анализа потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации по запросу пользователя. Примерами информационных систем являются информационно-справочные, информационно-поисковые, глобальные системы или сети хранения и поиска информации.

V. Искусственный интеллект – это область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, языкознанием и другими науками. Исторически сложились три основных направления развития систем искусственного интеллекта. Целью работ первого направления является создание алгоритмического и программного обеспечения вычислительных машин, позволяющего решать интеллектуальные задачи не хуже человека. В рамках второго подхода объектом исследований являются структура и механизмы работы мозга человека, а конечная цель заключается в моделировании функционирования человеческого мозга. Третий подход ориентирован на создание смешанных человеко-машинных или интерактивных интеллектуальных систем, на симбиоз возможностей человеческого и искусственного интеллектов. В данном разделе информатики решаются задачи машинного перевода, распознавания речи и рукописного текста, экспертные системы, некоторые игровые программы и др.

1.2.Информатика в обществе

Наше общество стремительно стало информационным. В нем огромную роль играют системы распространения, хранения и обработки информации. Подобно мировой системе связи, возникает единая информационная среда, которая обеспечивает любому человеку доступ ко всей необходимой для него информации. Широкое внедрение компьютеров во все среды человеческой деятельности, наряду с использованием интеллектуальных роботов, коренным образом изменили традиционную среду обитания людей. Растет количество людей, профессионально занятых сбором, накоплением, распространением и хранением информации. Информация стала товаром, имеющим большую ценность.