Стариков А.В. Основы информатики: учебное пособие (часть 1)

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Воронежская государственная лесотехническая академия»

А.В. Стариков

ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ

Учебное пособие

Часть I

Введение в информатику.

Программно-техническая организация

персонального компьютера

Воронеж 2007

УДК 004.38/.45

С 77

Стариков, А. В. Основы информатики [Текст] : учеб. пособие. В 2 ч. Ч 1.

Введение в информатику. Программно-техническая организация персонального

компьютера / А. В. Стариков ; Фед. агентство по образованию, ГОУ ВПО

«ВГЛТА». – Воронеж, 2007. – 144 с. – ISBN 978-5-7994-0214-3.

В пособии представлен переработанный и значительно сокращенный

материал по дисциплине Информатика, в течение ряда лет читаемый автором

студентам, обучающимся по специальности 060800 (080502) – Экономика и

управление на предприятии (лесной комплекс) на факультете Технология

деревообработки ГОУ ВПО «ВГЛТА».

В первой части пособия рассмотрены начальные понятия информатики и

вопросы, связанные с традиционной архитектурой компьютеров, а также

важнейшие аспекты программно-технической организации персональных

компьютеров.

Табл. 8. Ил. 31. Библиогр.: 52 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

ГОУ ВПО «ВГЛТА»

Рецензенты: канд. физ.-мат. наук, доц. ВГТУ Е.В. Бордаков,

кафедра математического обеспечения ЭВМ факультета

прикладной математики, информатики и механики ВГУ

ISBN 978-5-7994-0214-3 © ГОУ ВПО «Воронежская государственная

лесотехническая академия», 2007

Введение

Цели, задачи и структура учебной дисциплины

Учебная дисциплина “Информатика” включена в цикл “Общие математи-

ческие и естественнонаучные дисциплины” Государственных образовательных

стандартов для следующих специальностей: 060800 (080502) Экономика и

управление на предприятии (по отраслям) [1]; 060500 (080109) − Бухгалтерский

учет, анализ и аудит [2].

Согласно данным стандартам, дисциплина “Информатика” изучает: поня-

тие и основные свойства информации; понятие и общую характеристику ин-

формационного процесса (как совокупности взаимосвязанных процессов сбора,

передачи, обработки и накопления информации); технические и программные

средства реализации информационных процессов; модели решения функцио-

нальных и вычислительных задач; основы алгоритмизации, языков, систем и

технологий программирования; базы данных; локальные и глобальные сети

ЭВМ; понятие информационной безопасности, методы и средства защиты ин-

формации.

Тематическое содержание учебной дисциплины “Информатика” конкре-

тизировано в соответствующей Рабочей программе [3]. В частности, структурно

изучение дисциплины может быть представлено следующими восемью разде-

лами (темами):

1. Общие теоретические основы информатики.

2. Компьютерные технологии обработки информации.

3. Программно-аппаратная организация IBM PC-совместимых компьюте-

ров.

4. Основы работы пользователя в операционной среде персонального

компьютера.

5. Основы работы в среде локальных и глобальных компьютерных сетей.

6. Основы работы с прикладными программами общего и специального

назначения.

7. Основы алгоритмизации и программирования.

8. Основы защиты информации.

Студент, успешно усвоивший курс информатики, должен:

− иметь представления об информационных ресурсах общества как эко-

номической категории;

− знать основы современных компьютерных технологий и понимать их

влияние на успех в профессиональной деятельности;

− знать современное состояние уровня и направлений развития вычисли-

тельной техники и программных средств;

− уверенно работать в качестве пользователя IBM PC-совместимого ком-

пьютера, самостоятельно использовать внешние носители информации для

обмена данными между компьютерами, создавать резервные копии и архивы

данных и программ;

− уметь работать с программными средствами общего назначения, соот-

ветствующими современным требованиям мирового рынка программного

обеспечения;

− иметь навыки работы в локальных и глобальных компьютерных сетях,

использовать в профессиональной деятельности сетевые средства поиска и

обмена информацией;

− владеть основами автоматизации решения экономических задач;

− владеть приемами антивирусной защиты.

Что такое информатика?

Термин “информатика” возник в начале 1960-х годов во французском

языке (informatique) для обозначения области автоматизированной переработки

информации. Этот термин своеобразный гибрид двух слов − информация (in-

formacion) и автоматика (automatique). От первого он унаследовал начало ново-

го слова, а от второго − конец. Следует отметить еще один терминологический

нюанс, имеющий отношение к технике в целом. Автоматизированный процесс

означает не то же самое, что автоматический. Автоматический процесс проте-

кает без участия человека, автоматизированный же предполагает сочетание

функций человека и технического устройства. Именно такой характер имеет

информационная техника (и реализуемые посредством ее информационные

процессы) во второй половине XX и начале XXI веков.

Поскольку термин “информатика” был введен французами, интересно

знать его толкование, которое приведено в Энциклопедическом словаре, выпу-

щенном Французской академией наук. Итак, информатика − это “наука об осу-

ществляемой преимущественно с помощью автоматических средств целесооб-

разной обработке информации, рассматриваемой как представление знаний и

сообщений в технических, экономических и социальных областях”.

Приведем высказывания ряда крупных отечественных ученых по поводу

того, что следует понимать под словом “информатика”.

Академик А.П. Ершов: Информатика − это “название фундаментальной

естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации”.

Академик А.А. Дородницын: В составе информатики надо видеть “три

неразрывно и существенно связанные части − технические средства, программ-

ные средства и алгоритмические средства”.

Академик В.С. Михалевич: “Эта комплексная научная и технологическая

дисциплина изучает прежде всего важнейшие аспекты разработки, проектиро-

вания, создания, “встраивания” машинных систем обработки данных, а также

их воздействие на жизнь общества”.

Академик Е.П. Велихов: “Информатика охватывает очень широкую об-

ласть обработки информации, гораздо более обширную, чем создание вычисли-

тельных машин и их математического обеспечения...”.

Таким образом, суммируя вышеизложенное, можно сформулировать сле-

дующее определение: информатика − это наука обо всей сфере автоматизиро-

ванной переработки и использования информации в обществе; при этом в каче-

стве основного средства автоматизированной переработки информации следует

рассматривать компьютер.

Информатика изучает информационные процессы, под которыми пони-

маются процессы восприятия, передачи, обработки (преобразования) и исполь-

зования информации. Информационный процесс может состояться только при

наличии информационной системы, складывающейся из источника информа-

ции, канала передачи, правила интерпретации полученного сообщения и полу-

чателя информации.

В последнее время на роль метадисциплины, рассматривающей проблемы

различных отраслей знаний (и естественнонаучных, и гуманитарных) с единых

информационных позиций, претендует информациология. С точки зрения этой

дисциплины, информатика − ее основная составная часть, представляющая

“процесс взаимозависимости и взаимодополнения информации, человека, вы-

числительной техники и средств связи” [4].

Следует отметить, что структура информатики как научной дисциплины

складывалась постепенно. На протяжении более полувека в ней неоднократно

возникали и исчезали те или иные направления. Возможность расширения об-

ласти интересов информатики диктовалась, главным образом, развитием

средств вычислительной техники (СВТ) и накоплением моделей и методов их

применения при решении задач различного типа. В настоящее время в нее вхо-

дят следующие основные области исследования [5]:

− теория алгоритмов (формальные модели алгоритмов, проблемы вычис-

лимости, сложность вычислений и т.п.);

− логические модели (дедуктивные системы, сложность вывода, нетради-

ционные исчисления: индуктивный и абдуктивный вывод, вывод по аналогии,

правдоподобный вывод, немонотонные рассуждения и т.п.);

− базы данных (структуры данных, поиск ответов на запросы, логический

вывод в базах данных, активные базы и т.п.);

− искусственный интеллект (представление знаний, вывод на знаниях,

обучение, экспертные системы и т.п.);

− бионика (математические модели в биологии, модели поведения, гене-

тические системы и алгоритмы и т.п.);

− распознавание образов и обработка зрительных сцен (статистические

методы распознавания, использование призначных пространств, теория распо-

знающих алгоритмов, трехмерные сцены и т.п.);

− теория роботов (автономные роботы, представление знаний о мире, де-

централизованное управление, планирование целесообразного поведения и

т.п.);

− инженерия математического обеспечения (языки программирования,

технологии создания программных систем, инструментальные системы и т.п.);

− теория компьютеров и вычислительных сетей (архитектурные решения,

многоагентные системы, новые принципы переработки информации и т.п.);

− компьютерная лингвистика (модели языка, анализ и синтез текстов,

машинный перевод и т.п.);

− числовые и символьные вычисления (компьютерно-ориентированные

методы вычислений, модели переработки информации в различных прикладных

областях, работа с естественно-языковыми текстами и т.п.);

− системы человеко-машинного взаимодействия (модели дискурса, рас-

пределение работ в смешанных системах, организация коллективных процедур,

деятельность в телекоммуникационных системах и т.п.);

− нейроматематика и нейросистемы (теория формальных нейронных се-

тей, использование нейронных сетей для обучения, нейрокомпьютеры и т.п.);

− использование компьютеров в замкнутых системах (модели реального

времени, интеллектуальное управление, системы мониторинга и т.п.).

Отметим также, что термин “информатика” получил широкое распро-

странение в России (информатика), Франции (informatique), Германии (infor-

matik), Нидерландах (informatika), Испании (informatica), Италии (informatica),

Польше (informatyka) и некоторых других европейских странах. В англоговоря-

щих странах вместо термина “информатика” используется словосочетание

“computer science”, что буквально переводится как “компьютерная наука”.

Что такое информация?

Термин “информация” происходит от латинского informatio, что означает

разъяснение, осведомление, изложение. Информация − это основное понятие

информатики, до сих пор являющееся дискуссионным и неоднозначным в науке

(хотя в обыденном представлении здесь, как будто, все ясно). Как пример мно-

гозначного понимания информации приведем его трактовку, данную в Фило-

софском энциклопедическом словаре: информация − это 1) сообщение, осве-

домление о положении дел, сведения о чем-либо, передаваемые людьми; 2)

уменьшаемая, снимаемая неопределенность (как результат получения сообще-

ний); 3) сообщение, неразрывно связанное с управлением, сигналы в единстве

синтаксических, семантических и прагматических характеристик; 4) передача,

отражение разнообразия в любых объектах и процессах (неживой и живой при-

роды). В двух из четырех приведенных трактовок понятие “информация” под-

меняется понятием “сообщение”, при этом, по-видимому, считается, что по-

следнее является интуитивно более понятным.

Одни авторы [6] предлагают “называть информацией всякий критерий

выбора среди элементов некоторого множества, т.е. всякий критерий, позво-

ляющий сократить множество, в котором разыскивается ответ на некоторый

конкретный вопрос”.

Другие [7] вводят “сообщение и информацию как неопределяемые основ-

ные понятия” и разъясняют их использование на ряде примеров; при этом они

не считают соответствие между сообщением и информацией взаимно-

однозначным, указывая на решающее значение для связи между сообщением и

информацией некоторого правила интерпретации сообщения.

Третьи [8] считают, что “информация − это отличная от вещественно-

энергетических факторов сторона отражения, воспринимаемая материальными

системами со степенью организации, достаточно высокой для ее хранения, пе-

реработки и дальнейшего использования в целях управления, и выражающаяся

в упорядоченных сведениях о степени вероятности того или иного события из

возможного разнообразия событий определенного вида”.

Наконец, четвертые [9] понимают информацию чрезвычайно широко как

“любое воздействие на человека, которое приводит к изменению его состоя-

ния”.

Мы будем использовать понятие “информация” в трактовке, близкой к

той, что приведена в [10], а именно: информация − это 1) сведения, неизвест-

ные до их получения; 2) значения, приписываемые данным; или 3) данные.

Причем в основном акцент будем делать на последних двух толкованиях.

Информация обладает рядом свойств, основными среди которых являют-

ся достоверность, полнота и актуальность (оперативность). С точки зрения эко-

номики и управления для этих свойств можно предложить следующие толкова-

ния:

1. Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел.

2. Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия

управленческих решений.

3. Информация актуальна (оперативна), если получение ее своевременно

для принятия управленческих решений.

Способы представления информации в повседневной жизни,

науке и технике

Данный вопрос студентам рекомендуется проработать самостоятельно. В

качестве учебного материала можно использовать бóльшую часть главы 1 “Ин-

формация и сообщение” в [7], а также информацию из главы 1 в [11].

Этот же вопрос может быть использован как одна из тем для написания

реферата по информатике. В качестве рассматриваемых научных и технических

дисциплин можно взять, например, математику (формулы), ядерную физику и

физику элементарных частиц (диаграммы Фейнмана), неорганическую и орга-

ническую химию (уравнения химических реакций), информатику (языки описа-

ния алгоритмов), вычислительную технику (кодировочные таблицы) и т.д.

Информационные процессы

Информация − важнейший компонент (объект) любого информационного

процесса. Под информационным процессом обычно понимается процесс сбора

(восприятия), передачи, обработки (преобразования) и использования информа-

ции. Как отмечалось выше, информационный процесс может состояться только

при наличии информационной системы, обеспечивающей все его составляющие

− источник информации, канал связи, соглашения (правила) интерпретации

сигналов и приемник информации.

Информация от источника к приемнику передается в материально-

энергетической форме (например, в виде электрических, световых, звуковых и

других сигналов). Информация может быть представлена аналоговыми (т.е. не-

прерывными) или дискретными сигналами (лат. discretus − прерывистый, со-

стоящий из отдельных частей).

Информация, переносимая сигналами, имеет смысл, отличный как от

смысла самого факта поступления сигналов, так и от формы их передачи. Сле-

довательно, источник и потребитель информации должны “договориться” о

конкретной форме передачи информации, а также выработать некоторое согла-

шение относительно расшифровки (интерпретации) полученных сигналов.

В общем случае источник информации, восприняв некоторое явление

(факт, изменение состояния и т.д.), шифрует (кодирует) его в виде последова-

тельности сигналов с последующей пересылкой их в канал связи. Канал связи

выступает как внешняя (по отношению как к источнику, так и приемнику) сре-

да, отражающая состояния источника и воздействующая каким-либо образом на

приемник.

При передаче сигналов по каналу связи на них воздействуют помехи

(“шумы”), приводящие к изменению первоначальной формы и, возможно,

смысла первоначального сигнала.

Приемник (адресат, потребитель) информации при получении сигналов

должен выполнить предварительную их обработку, цель которой заключается в

исключении “шумов” и интерпретации (расшифровке), т.е. в извлечении смы-

слового содержания, заключенного в сигналах. После этого он может использо-

вать полученную информацию по своему усмотрению.

Существование и развитие человеческого общества невозможно без осу-

ществления информационных процессов. Определяющую роль в информацион-

ной системе, обеспечивающей составляющие информационного процесса, иг-

рает язык. Действительно, в какой бы форме и какими бы средствами не пере-

давалась информация, она всегда передается с помощью некоторого языка.

Применяя язык как способ представления информации, а также различные

формы и средства передачи информации, человек рассчитывает на ее воспри-

ятие, анализ и использование и, следовательно, активно участвует в информа-

ционных процессах, происходящих в обществе.

Глава 1

Начальные сведения о компьютерах

Данная глава носит вводный характер. Сведения, изложенные в ней, тре-

буются для более глубокого понимания вопросов, рассмотренных в следующих

главах пособия. Студенты, знакомые с устройством компьютеров (например, по

школьному курсу “Основы информатики и вычислительной техники”), могут

прочесть ее достаточно бегло, всем остальным рекомендуется более тщательное

чтение.

1.1 Краткий экскурс в компьютерное прошлое

Идея создания помощника в интеллектуальных занятиях владела людьми

давно. Еще на заре цивилизации для облегчения счета человек использовал

пальцы рук

, горсть камешков, пучок счетных палочек и т.д. Более полутора

тысяч лет назад появились счеты, которые, видоизменяясь, сохранились до на-

ших дней. Счеты имели различную форму в разных странах, но наиболее удач-

ными считаются так называемые “русские” счеты с десятью косточками на ка-

ждом стержне. С арифметической точки зрения стержни счетов представляют

собой разряды десятичной системы счисления: каждая косточка на первом

стержне имеет достоинство (вес) 1, на втором – 10, на третьем – 100 и т.д. На

счетах нетрудно складывать и вычитать числа. При желании и некотором упор-

стве можно обучиться умножению и делению на счетах, но выполняются эти

операции достаточно медленно и быстро утомляют.

Более поздняя история также знает примеры удачных разработок в облас-

ти механизации вычислений. Так в 1642 году француз Блез Паскаль, еще не бу-

дучи известным ученым, изобрел механическое устройство для сложения чисел

(сумматор). Чуть позже – в 1673 году – немецкий ученый Готфрид Вильгельм

Лейбниц сконструировал арифмометр, который позволял механически выпол-

нять четыре арифметических действия

. Спустя полтора столетия английский

математик Чарльз Бэббидж предпринял попытку создания аналитической ма-

шины – устройства, способного выполнять вычисления без участия человека.

Для этого она должна была иметь в своем составе такие компоненты, как

“мельница” и “склад” (согласно современной терминологии – арифметическое

устройство и память), состоящие из множества шестеренок и рычажков. Ана-

литическая машина должна была уметь работать по программе, которая нано-

силась на перфокарты (карты из плотной бумаги) в виде различных комбинаций

Именно этим обстоятельством объясняется чрезвычайно широкое распространение деся-

тичной системы счисления. Примечательно, что английское слово "digit" (цифра) проис-

ходит от латинского "digitus" (палец).

Широчайшую известность принесло Лейбницу, однако, не создание арифмометра, а разра-

ботка им (параллельно с Ньютоном) дифференциального и интегрального исчисления.

отверстий. Данные (числа) для обработки должны были храниться в памяти,

пока их не начнет “перемалывать” арифметическое устройство. Полученные

промежуточные результаты также должны были заноситься в память, чтобы

спустя некоторое время их снова можно было использовать в вычислениях, а

окончательные результаты вычислений должны были распечатываться. Идеи

Бэббиджа так и не получили законченного практического воплощения, по-

скольку намного опередили технические возможности своего времени.

С аналитической машиной Бэббиджа связано упоминание о первом про-

граммисте. Им принято считать Аду Августу Лавлейс (дочь знаменитого анг-

лийского поэта Байрона), которая, обладая недюжинными математическими

способностями и широким кругозором, заинтересовалась проектом Бэббиджа и

исследовала возможности использования аналитической машины для выполне-

ния сложных вычислений. Иначе говоря, она проанализировала и разработала

первые программы, доказав тем самым универсальные возможности вычисли-

тельной машины. В честь заслуг этой удивительной женщины ее именем назван

один из современных языков программирования

Лишь в середине XX века инженеры смогли реализовать основные идеи

Бэббиджа. Вначале немец Конрад Цузе (1941 г.), а затем и американец Говард

Эйкен (1943 г.) воплотили эти замыслы в жизнь, построив свои вычислительные

устройства с использованием электромеханических реле. В машине Цузе, полу-

чившей обозначение Z3, вместо привычной десятичной системы счисления ис-

пользовалась двоичная система, в которой числа представляются в виде после-

довательности нулей и единиц. Такое представление чисел прекрасно подходит

для электрических цепей, которые могут находиться в одном из двух состояний:

включено или выключено. Кроме того, двоичная система удобна и для кодиро-

вания логических операций, имеющих дело с понятиями “истина” и “ложь”. А

ведь именно возможность использования таких операций превращает компью-

тер в нечто большее, чем просто большой калькулятор.

Вычислительная машина “Марк-1”, построенная группой инженеров из

фирмы IBM (International Business Machines Corporation – произносится “Интер-

нэшнл бизнес мэшинс корпорейшн”) под руководством Эйкена, так же, как и

машина Цузе, управлялась программой, записанной на перфоленте. Весила она

5 тонн, стоила около 500 тысяч долларов, содержала более трех тысяч реле

(всего же в ней было около 750 тысяч деталей) и предназначалась для балли-

стических расчетов ВМС США. Машина производила сложение и умножение

двух 23-значных десятичных чисел за 0,3 и 3 секунды соответственно (а за ка-

кое время выполнит подобные операции обычный человек?). В следующей аме-

риканской разработке – машина “Эниак” (1945 г.), создатели Джон Мочли и

Преспер Экерт – использовались уже электронные лампы, а не элекромеханиче-

ские реле, что позволило почти в 1000 раз повысить скорость вычислений по

сравнению с машиной “Марк-1”. Именно “Эниак” принято считать первым

Ада – мощный язык программирования высокого уровня, разработанный по инициативе и

при финансовой поддержке Министерства обороны США.