Симонович С.В. Информатика

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 1. Информация и информатика

Программное обеспечение

Системные

программы

Служебные

программы

Системы управления

базами данных

Векторные

редакторы

Adobe Illustrator 8.0 CorelDRAW9.0

Прикладные

программы

Растровые

редакторы

Macromedia

Freehand 8.01

Рис.

1.5.

Пример иерархической структуры данных

Дихотомия данных. Основным недостатком иерархических структур данных явля-

ется увеличенный размер пути

доступа.

Очень часто бывает

так,

что

длина маршрута

оказывается

больше,

чем

длина

самих

данных,

к которым он

ведет.

Поэтому

инфор-

матике применяют методы для регуляризации иерархических структур с

тем,

чтобы

сделать

путь

доступа компактным. Один из методов получил название

дихотомии.

Его суть понятна из примера, представленного на

рис.

1.6.

Информационное обеспечение

Прикладные программы Не прикладные программы

Графические редакторы

Не графические редакторы

Текстовые процессоры Не текстовые процессоры

±.

Текстовый процессор WordPad Текстовый процессор

Word

2000

Рис.

1.6.

Пример,

поясняющий принцип действия метода дихотомии

В иерархической структуре, построенной методом дихотомии, путь доступа к любому

элементу можно представить как путь через рациональный лабиринт с поворотами

налево (0) или направо (1) и, таким образом, выразить путь доступа в виде ком-

пактной двоичной записи.

нашем примере путь доступа к текстовому процессору

Word 2000 выразится следующим двоичным числом: 1010.

1.2. Данные 31

Упорядочение структур данных

Списочные и табличные структуры являются простыми. Ими легко пользоваться,

поскольку адрес каждого элемента задается числом (для списка), двумя числами

(для двумерной таблицы) или несколькими числами для многомерной таблицы.

Они также легко упорядочиваются. Основным методом упорядочения является

сортировка.

Данные

можно

сортировать по любому избранному

критерию,

например:

по

алфавиту,

по

возрастанию порядкового номера или

по

возрастанию какого-либо

параметра.

Несмотря на многочисленные удобства, у простых структур данных есть и недо-

статок

— их трудно

обновлять.

Если,

например, перевести студента

из

одной группы

в другую, изменения надо вносить сразу в два журнала посещаемости; при этом в

обоих журналах будет нарушена списочная структура. Если переведенного студента

вписать в конец списка группы, нарушится упорядочение по алфавиту, а если его

вписать в соответствии с алфавитом, то изменятся порядковые номера всех студен-

тов,

которые следуют за ним.

Таким образом, при

добавлении произвольного элемента в упорядоченную структуру

списка может

происходить

изменение адресных данных у других

элементов.

журналах

успеваемости это пережить нетрудно, но в системах, выполняющих автоматическую

обработку данных, нужны специальные методы для решения этой проблемы.

Иерархические структуры данных по форме сложнее, чем линейные и табличные,

но они не создают проблем с обновлением данных. Их легко развивать путем созда-

ния новых уровней. Даже если в учебном заведении будет создан новый факультет,

это никак

не

отразится на

пути

доступа

сведениям

об

учащихся прочих факультетов.

Недостатком иерархических структур является относительная трудоемкость записи

адреса элемента данных и сложность упорядочения. Часто методы упорядочения

таких структурах основывают на предварительной

индексации,

которая захсяючается

в том, что каждому элементу данных присваивается свой уникальный индекс, кото-

рый можно

использовать при

поиске,

сортировке

и т. п.

Ранее рассмотренный прин-

цип дихотомии на самом деле является одним из методов индексации данных в

иерархических структурах. После такой индексации данные легко разыскиваются

по двоичному коду связанного с ними индекса.

Адресные данные. Если

данные

хранятся

не как

попало,

а в

организованной структуре

(причем

любой),

то каждый элемент данных приобретает новое свойство (параметр),

который можно назвать

адресом.

Конечно, работать с упорядоченными данными

удобнее,

но за это

приходится платить

их

размножением, поскольку адреса элементов

данных

—

это тоже данные и их тоже надо хранить и обрабатывать.

1.3. Файлы и файловая структура

Единицы представления данных

Существует множество систем представления

данных.

одной из них, принятой в

информатике

вычислительной

технике,

двоичным

кодом,

мы

познакомились выше.

Наименьшей единицей такого представления является бит (двоичный

разряд).

Глава 1. Информация и информатика

Совокупность двоичных

разрядов,

выражающих числовые или

иные

данные,

образует

некий битовый

рисунок.

Практихса

показывает,

что с

битовым представлением удобнее

работать, если этот рисунок имеет регулярную форму.

настоящее время в качестве

таких форм используются группы из восьми битов, которые называются

байтами.

Десятичное число

255

Двоичное число

11111111

Байт

0000 0001

0000 0010

11111111

Понятие о байте как группе взаимосвязанных битов появилось вместе с первыми

образцами электронной вычислительной

техники.

Долгое время

оно

выло

машинно-

зависимым,

то есть для разных вычислительных машин длина байта была разной.

Только в

конце 60-х

годов

понятие байта стало универсальным

имашиннонезависимым.

Выше мы видели, что во многих случаях целесообразно использовать не восьми-

разрядное кодирование, а 16-разрядное, 24-разрядное, 32-разрядное и более. Группа

из

взаимосвязанных бит (двух взаимосвязанных байтов) в информатике называ-

ется

словом.

Соответственно, группы

из

четырех взаимосвязанных

байтов

(32 разряда)

называются г/Эвов«ньш

словом,

группы

из восьми

байтов (64 разряда)

— учетверенным

словом.

Пока, на сегодняшний день, такой системы обозначения достаточно.

Единицы измерения данных

Существует много различных систем и единиц измерения данных. Каждая науч-

ная дисциплина

каждая область человеческой деятельности может использовать

свои, наиболее удобные или традиционно устоявшиеся единицы. В информатике

для измерения данных используют тот факт, что разные типы данных имеют уни-

версальное двоичное представление и потому вводят свои единицы данных, осно-

ванные на нем.

Наименьшей единицей измерения является байт. Поскольку одним байтом, как

правило, кодируется один символ текстовой информации, то для текстовых доку-

ментов размер

байтах соответствует лексическому объему

символах (пока

исхсяю-

чение представляет рассмотренная выше универсальная кодировка

UNICODE).

Более крупная единица измерения

—

килобайт (Кбайт). Условно можно считать,

что

1 Кбайт примерно равен 1000

байт.

Условность связана

тем,

что для вьпислитель-

ной

техники,

работающей

двоичными числами, более удобно представление чисел

в виде степени двойки и потому на самом деле

Кбайт равен

2^^

байт (1024 байт).

Однако всюду, где это не принципиально, с инженерной погрешностью (до 3 %)

«забывают» о «лишних» байтах.

В килобайтах измеряют сравнительно небольшие объемы данных. Условно можно

считать, что одна страница неформатированного машинописного текста составляет

около 2 Кбайт.

1.3. Файлы и файловая структура 33

Более крупные единицы измерения данных образуются добавлением префиксов

мега-,

гига-

тера-;

в более крупных единицах пока нет практической надобности.

1 Мбайт

1024 Кбайт =

10^^

байт

1 Гбайт = 1024 Мбайт

10^^

байт

1 Тбайт = 1024 Гбайт =

10^^

байт

Особо обратим внимание на

то,

что при переходе к более крупным единицам «инже-

нерная» погрешность, связанная с округлением, накапливается и становится недо-

пустимой, поэтому на старших единицах измерения округление производится реже.

Единицы }фанения данных

При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее

компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ

не обеспечен, то это не хранение). Для обеспечения доступа необходимо, чтобы

данные имели упорядоченную структуру, а при этом, как мы уже знаем, образуется

«паразитная нагрузка» в виде адресных данных. Без них нельзя получить доступ

к нужным элементам данных, входящих в структуру.

Поскольку адресные данные тоже имеют размер и тоже подлежат хранению, хранить

данные в виде мелких единиц, таких как байты, неудабно. Их неудобно хранить и

в более крупных единицах (килобайтах, мегабайтах и т. п.), поскольку неполное

заполнение одной единицы хранения приводит к неэффективности хранения.

В качестве единицы хранения данных принят

объехсг

переменной

длины,

называемый

файлом.

Файл

— это последовательность произвольного числа

байтов,

обладаюи^ая

уникальным собственным

именем.

Обычно

отдельном файле хранят

данные,

относя-

щиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла.

Проще всего представить себе файл в виде безразмерного канцелярского досье, в

которое можно по желанию добавлять содержимое или извлекать его

оттуда.

Поскольку

в определении файла нет ограничений на размер, можно представить себе файл,

имеющий

байтов

(пустой

файл), и файл, имеющий любое число байтов.

В определении файла особое внимание уделяется имени. Оно фактически несет в

себе адресные

данные,

без которых

данные,

хранящиеся

файле,

не

станут информа-

цией из-за отсутствия метода доступа к

ним.

Кроме функций, связанных с адреса-

цией, имя файла может хранить и сведения о типе данных, заключенных в нем.

Для автоматических средств работы с данными это важно, поскольку по имени

файла они могут автоматически определить адекватный метод извлечения информа-

ции из файла.

Понятие о файловой структуре

Требование уникальности имени файла очевидно

—

без этого невозможно гаран-

тировать однозначность доступа к данным. В средствах вычислительной техники

требование уникальности имени обеспечивается автоматически

—

создать файл с

именем, тождественным уже имеющемуся, не может ни пользователь, ни авто-

матика.

34 Глава

Информация и информатика

Хранение файлов организуется в иерархической струюуре, которая в данном случае

называется файловой структурой. В качестве вершины структуры служит имя

носителя, на котором сохраняются

файлы.

Далее файлы группируются

в каталоги

{папки),

внутри которых могут быть созданы

вложенные каталоги

{папки). Путь

доступа

к файлу начинается с имени устройства и включает все имена каталогов

(папок),

через которые

проходит.

качестве разделителя используется символ «\»

(обратная косая черта).

Уникальность имени файла обеспечивается

тем,

что

полным именем файла считается

собственное имя файла вместе с путем доступа

нему.

Понятно, что в этом случае на

одном носителе не может быть

двз^с

файлов с тождественными полными именами.

Пример записи полного имени файла:

<имя носителя>\<имя каталога-1>\...\<имя каталога-М>\<собствениое имя файла>

Вот пример записи двух файлов, имеющих одинаковое собственное имя и размещен-

ных

на одном носителе, но отличающихся путем доступа, то есть полным именем.

Для наглядности имена каталогов (папок) напечатаны прописными буквами.

С:\АВТ0МАТИЧЕСКИЕАППАРАТЫ\ВЕНЕРА\АТМ0СФЕРА\Результаты исследований

С:\РАДИОЛОКАЦИЯ\ВЕНЕРА\РЕЛЬЕФ\Результаты исследований

О том, как на практике реализуются файловые структуры, мы узнаем несколько

позже, когда познакомимся со средствами вычислительной техники и с понятием

файловой

системы.

1.4. Информатика

Предмет и задачи информатики

Информатика —это

техническая

наука,

систематизирующая приемы

создания,

хранения,

воспроизведения,

обработки и передачи

данных

средствами

вычислитель-

ной

техники,

также принципы функционирования

этих

средств

методы

управ-

ления

гШи.

Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому

ее предмет нередко называют

информационной

технологией.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

• аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

• программное обеспечение средств вычислительной техники;

• средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

• средства взаимодействия человека

аппаратными и программными средствами.

Как видно из этого списка, в информатике особое внимание уделяется вопросам

взаимодействия.

Для этого даже есть специальное понятие

—

интерфейс.

Методы

и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами

называют

пользовательским

интерфейсом.

Соответственно, существуют

аппаратные

интерфейсы^

программные интерфейсы

аппаратно-программные

интерфейсы.

1.4. Информатика 35

Основной задачей

информатики является систематизация приемов и методов работы

аппаратными

программными средствами вычислительной

техники.

Цель

система-

тизации состоит

выделении, внедрении

развитии передовых, наиболее эффектив-

ных технологий, в автоматизации этапов работы

данными, а также в методическом

обеспечении новых технологических исследований.

Информатика

—

практическая

наука.

Ее достижения должны проходить подтверж-

дение практикой и приниматься в тех случаях, когда они соответствуют критерию

повышения эффективности.

составе основной задачи информатики сегодня можно

выделить следующие направления для практических приложений:

• архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем,

предназначенных для автоматической обработки данных);

• интерфейсы вычислительных

систем

(приемы

методы управления аппаратным

и программным обеспечением);

• программирование (приемы, методы и средства разработки компьютерных

программ);

• преобразование данных (приемы и методы преобразования структур данных);

• защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты

данных);

• автоматизация (функционирование программно-аппаратных

средств без

участия

человека);

• стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными

программ-

ными средствами, а также между форматами представления данных, относя-

щихся к различным типам вычислительных систем).

На всех этапах технического обеспечения информационных процессов для инфор-

матики ключевым понятием является

эффективность.

Для аппаратных средств

под эффективностью понимают отношение производительности оборудования к его

стоимости (с учетом стоимости эксплуатации и обслуживания). Для программного

обеспечения

под

эффективностью понимают производительность

лиц,

работающих

с ними (пользователей). В программировании под эффективностью понимают

объем программного кода, создаваемого программистами в единицу времени.

информатике

все жестко

ориентировано

на

эффективность.

Вопрос,

как

сделать ту

или иную

операцию,

для информатики является важным, но

не

основным.

Основным

же является вопрос, как

сделать данную операцию

эффективно.

Истоки и предпосылки информатики

Слово

информатика

происходит от французского слова

Informatique,

образован-

ного в результате объединения терминов

Informacion {информация) и Automatique

{автоматика),

что выражает ее суть как науки об автоматической обработке инфор-

мации. Кроме Франции термин

информатика

используется в ряде стран Восточной

Европы.

В то

же время,

большинстве стран Западной Европы и США используется

другой термин

— Computer Science

{наука о

средствах вычислительной

техники).

36 Глава 1. Информация и информатика

качестве источников информатики

обычно

называют две

науки — документалистику

кибернетику.

Документалистика сформировалась

конце XIX века

связи

бур-

ным развитием производственных отношений. Ее расцвет пришелся на 20-30-е годы

XX века, а основным предметом стало изучение рациональных средств и методов

повышения эффективности документооборота.

Основы близкой к информатике технической науки

кибернетики

были заложены

трудами по математической логике американского математика Норберта Винера,

опубликованными в 1948 году, а само название происходит от греческого слова

(kybemeticos

—

искусный в управлении).

Впервые термин

кибернетика

ввел французский физик Андре Мари Ампер в первой

половине XIX веке. Он занимался разработкой единой системы классификации

всех наук

обозначил этим термином гипотетическую науку

об

управлении,

которой

в то время не существовало, но которая,

по его

мнению,

должна была существовать.

Сегодня предметом кибернетики являются принципы построения

функционирова-

ния систем автоматического

управления,

а основными задачами

—

методы моделиро-

вания процесса принятия решений техническими средствами, связь между психоло-

гией человека

математической

логикой,

связь между информационным процессом

отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе^ разработка

принципов и методов искусственного интеллекта. На практике кибернетика во

многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычисли-

тельной

техники,

что и

информатика,

в свою

очередь,

заимствует

кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

Подведение итогов

Все процессы в природе сопровождаются

сигналами.

Зарегистрированные сигналы

образуют

данные.

Данные преобразуются, транспортируются и потребляются с

помощью

методов.

При взаимодействии данных и адекватных им методов образу-

ется

информация.

Информация

— это

динамический объект, образующийся в ходе

информационного

процесса.

Он отражает диалектическую связь между объектив-

ными данными и субъективными методами. Свойства информации зависят как от

свойств данных, так и от свойств методов.

Данные различаются

типами^

что связано с различиями в физической природе

сигналов, при регистрации которых образовались

данные.

качестве средства хра-

нения и транспортировки данных используются

носители

данных.

Для удобства

операций с данными их структурируют. Наиболее широко используются следую-

щие структуры: линейная,

табличная и иерархическая —

они различаются методом

адресации к данным. При сохранении данных образуются данные нового типа

—

адресные

данные.

Вопросами систематизации

приемов и методов

создания,

хранения,

воспроизведения,

обработки и передачи данных средствами вычислительной техники занимается

техническая наука

—

информатика.

С целью

унификации приемов и методов работы

сданными

вычислительной

технике

применяется универсальная система кодирова-

ния

данных,

называемая

двоичным

кодом.

Элементарной единицей представления

Вопросы для самоконтроля 37

данных в двоичном коде является двоичный разряд

{бит).

Другой, более крупной

единицей представления данных является байт.

Основной единицей хранения данных является файл. Файл представляет собой

последовательность байтов, имеющую собственное

имя.

Совокупность файлов обра-

зует файловую структуру, которая, как

правило,

относится

иерархическому типу.

Полный адрес

файла

файловой структуре является уникальным

включает

себя

собственное имя файла и путь доступа к нему.

Вопросы ДЛЯ самоконтроля

Как

вы

можете объяснить бытовой термин «переизбыток информации»? Что име-

ется

виду: излишняя полнота

данных;

излишняя сложность методов; неадек-

ратность поступаюпхих данных и методов, имеющихся в наличии?

Как вы понимаете термин «средство массовой информации»? Что это? Средство

массовой поставки данных? Средство, обеспечивающее массовое распростране-

ние методов?

Средство, обеспечивающее процесс информирования путем поставки

данных гражданам, обладающим адекватными методами их потребления?

Как

вы

полагаете,

являются

ли данные товаром?

Могут ли методы

быть

товаром?

На примере коммерческих

структур,

обеспечивающих коммуникационные услуги,

покажите, как взаимодействуют между собой маркетинг данных и маркетинг

методов? Можете ли вы привести примеры лизинга данных и методов?

Как вы понимаете диалектическое единство данных и методов? Можете ли вы

привести примеры аналогичного единства двух понятий из других научных

дисциплин: естественных, социальных, технических?

6. Как вы понимаете динамический характер информации? Что происходит

ней

по окончании информационного процесса?

Можем ли мы утверждать, что данные, полученные в результате информаци-

онного процесса, адекватны исходным? Почему? От каких свойств исходных

данных и методов зависит адекватность результирующих данных?

8. Что такое

вектор

данных!

Является ли список номеров телефонов населенного

пункта вектором данных? Является ли вектором данных текстовый документ,

закодированный двоичным

кодом,

если он

не

содержит элементов оформления?

9. Является ли цифровой код цветного фотоснимка вектором данных? Если нет,

то чего ему не хватает?

10.

Как вы понимаете следующие термины:

аппаратно-программный

интерфейс,

программный

интерфейс^

аппаратный интерфейс? Кг,к

бы вы назвали специ-

альность людей, разрабатывающих аппаратные интерфейсы? Как называется

специальность людей, разрабатывающих программные интерфейсы?

11.

На основе личных наблюдений сделайте вывод о том, какими средствами может

пользоваться преподаватель для обеспечения интерфейса

аудиторией. Можете

ли вы рассмотреть отдельно методические и технические средства, имеющиеся в

его

распоряжении? Может ли преподаватель рассматривать

вдшг/

тетрадь и авто-

ручку как

свое

средство обеспечения интерфейса? Если да, то в какой мере?

2.1.

История развития средств вычислительной техники

Вычислительная система, компьютер

Изыскание средств

методов механизации

автоматизации работ

—

одна

из

основ-

ных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои

особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса

задач используют особые виды

устройств,

большинство из которых являются элек-

тронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автомати-

ческой

или

автоматизированной обработки данных, называют

вычислительной

тех-

никой.

Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств

программ,

предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют

вычисли-

тельной

системой.

Центральным устройством большинства вычислительных сис-

тем является

компьютер.

Компьютер —

это

электронной

прибор,

предназначенный для автоматизации

созда-

ния,

хранения,

обработки

транспортировки

данных.

Принцип действия компьютера

В определении компьютера как прибора мы указали определяющий признак

—

электронный.

Однако автоматические вычисления не всегда производились элек-

тронными устройствами. Известны

механические устройства, способные выпол-

нять расчеты автоматически.

Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные

исследователи нередко

качестве древнего предшественника компьютера называют

механическое счетное устройство

абак.

Подход «от абака» свидетельствует

глубо-

ком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автомати-

ческого выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее.

2.1.

История развития средств вычислительной техники 39

Щ Абак — наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представ-

лявшее собой глиняную пластину

желобами,

которых раскладывались камни, пред-

ставляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н. э. Местом

появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными

таблицами. Вычисления с их помощью называли с*/ешод/ на

линиях,

а в России в XVI-

XVII веках появилось намного более передовое изобретение, применяемое и поныне, —

русские счеты.

то

же

время,

нам

хорошо знаком другой

прибор,

способный автоматически выпол-

нять вычисления,

—

это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов

(песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают

способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или

сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять

автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип просле-

живается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации

(роль генератора выполняет система Земля

—

Солнце).

Д Механические часы — прибор, состоящий из устройства, автоматически выполняющего

перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации

этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее

ранние образцы относятся к XIV веку и принадлежат монастырям (бошеяяь/е часы),

В основе любого

современного компьютера, как

и в

электронных

часах,

лежит

так-

товый

генератор,

вырабатывающий через равные интервалы времени электриче-

ские сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств

компьютерной

системы.

Управление компьютером фактически сводится

управле-

нию

распределением сигналов между

устройствами.

Такое управление может

про-

изводиться автоматически (в этом случае говорят

о программном

управлении) или

вручную

помощью внешних органов управления

—

кнопок, переключателей, пере-

мычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управле-

ние в

значительной степени автоматизировано

помощью специальных аппаратно-

логических интерфейсов,

которым подключаются устройства управления

ввода

данных (клавиатура,

мышь,

джойстик и другие).

отличие

от

программного управ-

ления такое управление называют

интерактивным.

Механические первоисточники

Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения

было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм

Шикард, профессор кафедры восточных языков

в университете Тюбингена (Германия). В наши

дни рабочая модель устройства была воспроиз-

ведена по чертежам и подтвердила свою работо-

способность.

Сам

изобретатель

письмах называл

машину «суммирующими часами».

В 1642 году французский механик Влез Паскаль

(1623-1662) разработал

более

компактное сумми-

рующее устройство (рис. 2.1), которое стало пер-

Рис.

2.1.

Суммирующая машина

вым

мире механическим калькулятором,

вьшус-

Паскаля