Закончите утверждение чем больше первоначальная неопределенность знания тем
1. Закончите утверждение: «Чем больше первоначальная неопределённость знания, тем…» а) больше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённость
б) больше равновероятных исходов некоторого события
в) меньше равновероятных исходов некоторого события
г) меньше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённость
2. Что такое информация?
а) снятая неопределённость знания человека об исходе некоторого события
б) длина двоичного кода, с которого кодируется символы алфавита
в) преобразование в форму, пригодную для передачи по каналу связи
г измерения хранимого или передаваемого кода
Ответы на вопрос
a, b, c3, 7, 1целое (integer) только целые числа
z3. (real)выполняется деление
для виндоус 7 их 36 это:
данная комбинация клавиш минимизирует все открытые окна и показывает рабочий стол.
это сокращение минимизирует все открытые окна кроме активного окна.
перейти к рабочему столу
win+1, win+2, win+3… и т.д.
shift+win+1, +2, +3… и т.д.
позволяет вам изменять (увеличивать или уменьшать соответственно) масштаб любого изображения в соответствующем окне.
комбинация win+shift+left/right, перемещает активное окно в левый или правый монитор (если у вас включено два монитора).
если вы хотите знать информацию о своем pc такую как, какой процессор вы используете, сколько ram вы имеете, ваша операционная система 32-или 64-битовая, вам достаточно нажать win+pause
больше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённость
1. Закончите утверждение: «Чем больше первоначальная неопределённость знания, тем…» а) больше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённос.
1. Закончите утверждение: «Чем больше первоначальная неопределённость знания, тем…» а) больше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённость
б) больше равновероятных исходов некоторого события
в) меньше равновероятных исходов некоторого события
г) меньше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённость
2. Что такое информация?
а) снятая неопределённость знания человека об исходе некоторого события
б) длина двоичного кода, с которого кодируется символы алфавита
в) преобразование в форму, пригодную для передачи по каналу связи
г измерения хранимого или передаваемого кода
Ответы
больше информации несёт сообщение, снимающее эту неопределённость
с его работают все компьютеры и вычислительные системы.
для кодирования текстовых данных в эвм используется специальный метод, согласно которому, каждому символу алфавита сопоставлено число. эти соответствия сведены в специальные таблицы, называемые стандартами кодирования текстовых данных. при кодировании текста͵ каждый символ алфавита заменяется соответствующим ему числом.
для кодирования четырехцветного изображения требуется двухбитовый код, поскольку с двух битов можно выразить 4 различных значения (отобразить 4 различных состояния).
компьютер является мощнейшим устройством для обработки различных типов информации, в том числе и звуковой. но аналоговый звук непригоден для обработки на компьютере, его необходимо преобразовать в цифровой. для этого используются специальные устройства — аналого-цифровые преобразователи или ацп. в компьютере роль ацп выполняет звуковая карта.
Лекционные материалы по разделу «Информация и информационные процессы» по дисциплине «Информатика и ИКТ»
Термин «информатика» может употребляться в двух смыслах:
информатика как научная область, предметом изучения которой являются информация и информационные процессы; в которой осуществляется изобретение и создание новых средств работы с информацией;
информатика как практическая область деятельности людей, связанная с применением компьютеров для работы с информацией.
Как современная техника немыслима без открытий теоретической физики, так и развитие информатики и информационных технологий невозможно без теории информации, теории алгоритмов и целого ряда других теорий в области кибернетики, лингвистики, семиотики, системологии и прочих наук.
В соответствии с современным пониманием, в информатике можно выделить четыре части:
Теоретическая информатика – это научная область, предмет изучения которой – информация и информационные процессы. Как любая фундаментальная наука, теоретическая информатика раскрывает законы и принципы в своей предметной области.
Понятие информации
В Толковом словаре В. И. Даля нет слова «информация». Термин «информация» начал широко употребляться с середины XX века.
В XX веке понятие информации повсеместно проникает в науку.
Согласно одной из философских концепций, информация является свойством всего сущего, всех материальных объектов мира. Такая концепция информации называется атрибутивной ( информация – атрибут всех материальных объектов ). Информация в мире возникла вместе со Вселенной. С такой предельно широкой точки зрения, информация проявляется в воздействии одних объектов на другие, в изменениях, к которым такие воздействия приводят.
Делая выбор между различными точками зрения, надо помнить, что всякая научная теория – лишь модель бесконечно сложного мира, поэтому она не может отражать его точно и в полной мере.
Можно сказать, что употребление понятия «информация» в повседневной жизни происходит в антропоцентрическом контексте. Для любого из нас естественно воспринимать информацию как сообщения, которыми обмениваются люди. Например, средства массовой информации (СМИ) предназначены для распространения сообщений, новостей среди населения.
Представление информации, языки, кодирование
Из курса основной школы вам известно:
Историческое развитие человека, формирование человеческого общества связано с развитием речи, с появлением и распространением языков. Язык – это знаковая система для представления и передачи информации.
Люди сохраняют свои знания в записях на различных носителях. Благодаря этому знания передаются не только в пространстве, но и во времени – от поколения к поколению.
Языки бывают естественные, например русский, китайский, английский, и формальные, например математическая символика, нотная грамота, языки программирования.
Письменность и кодирование информации
Процесс чтения текста – это обратный по отношению к письму процесс, при котором письменный текст преобразуется в устную речь. Чтение можно назвать декодированием письменного текста. Схематически эти два процесса изображены на рис. 1.1.
Рис. 1.1. Схема передачи информации с помощью письменности
Схема на рис. 1.1 типична для всех процессов, связанных с передачей информации.
Цели и способы кодирования
Может существовать много способов кодирования одного и того же текста на одном и том же языке.
Еще одно важное обстоятельство: выбор способа кодирования информации может быть связан с предполагаемым способом ее обработки.
История технических способов кодирования информации
Такой способ кодирования получил название азбуки Морзе. В ней каждая буква алфавита кодируется последовательностью коротких сигналов (точек) и длинных сигналов (тире). Буквы отделяются друг от друга паузами – отсутствием сигналов.
Характерной особенностью азбуки Морзе является переменная длина кода разных букв, поэтому код Морзе называют неравномерным кодом. Буквы, которые встречаются в тексте чаще, имеют более короткий код, чем редкие буквы. Но из-за переменной длины кода букв возникает проблема отделения букв друг от друга в тексте. Поэтому приходится для разделения использовать паузу (пропуск). Следовательно, телеграфный алфавит Морзе является троичным, так как в нем используется три знака: точка, тире, пропуск.
Равномерный телеграфный код был изобретен французом Жаном Морисом Бодо в конце XIX века. В нем использовалось всего два вида сигналов. Неважно, как их назвать: точка и тире, плюс и минус, ноль и единица. Это два отличающихся друг от друга электрических сигнала.
В коде Бодо длина кодов всех символов алфавита одинакова и равна пяти. В таком случае не возникает проблемы отделения букв друг от друга: каждая пятерка сигналов – это знак текста.
Код Бодо – это первый в истории техники способ двоичного кодирования информации. Благодаря идее Бодо удалось автоматизировать процесс передачи и печати букв. Был создан клавишный телеграфный аппарат. Нажатие клавиши с определенной буквой вырабатывает соответствующий пятиимпульсный сигнал, который передается по линии связи. Принимающий аппарат под воздействием этого сигнала печатает ту же букву на бумажной ленте.
Измерение информации
Вопрос об измерении количества информации является очень важным как для науки, так и для практики.
В двоичном коде каждая двоичная цифра несет одну единицу информации, которая называется 1 бит.
Бит является основной единицей измерения информации.
Итак, если i – информационный вес символа алфавита, а К – количество символов в тексте, записанном с помощью этого алфавита, то информационный объем I текста выражается формулой: I = К · i ( битов ).
Идея измерения количества информации в сообщении через длину двоичного кода этого сообщения принадлежит выдающемуся российскому математику Андрею Николаевичу Колмогорову. Согласно Колмогорову, количество информации, содержащееся в тексте, определяется минимально возможной длиной двоичного кода, необходимого для представления этого текста.
Более крупной, чем бит, единицей измерения информации является байт:
Информационный объем текста в памяти компьютера измеряется в байтах. Он равен количеству символов в записи текста.
Помимо бита и байта, для измерения информации используются и более крупные единицы:
1 Кб (килобайт) = 2 10 байтов = 1024 байта;
1 Мб (мегабайт) = 2 10 Кб = 1024 Кб;
1 Гб (гигабайт) = 2 10 Мб = 1024 Мб;
1 Тб (терабайт) = 2 10 Гб = 1024 Гб.
В компьютере любые виды информации: тексты, числа, изображения, звуки – представляются в форме двоичного кода.
Объем информации любого вида, выраженный в битах, равен длине двоичного кода, в котором эта информация представлена.
Чем больше первоначальная неопределенность знания, тем больше информации несет сообщение, снимающее эту неопределенность.
Согласно данному выше определению, наибольшее количество информации несет сообщение в третьей ситуации, поскольку неопределенность знания об исходе события в этом случае была наибольшей.
В 40-х годах XX века проблема измерения информации была решена американским ученым Клодом Шенноном – основателем теории информации. Согласно Шеннону, информация – это снятая неопределенность знания человека об исходе какого-то события.
В теории информации единица измерения информации определяется следующим образом.
Сообщение, уменьшающее неопределенность знания об исходе некоторого события в два раза, несет 1 бит информации.
Обозначим буквой N количество возможных исходов события. Буквой i будем обозначать количество информации в сообщении об одном из N результатов.
Формула для измерения количества информации: i = log 2 N была предложена американским ученым Ральфом Хартли – одним из основоположников теории информации.
Здесь i – количество информации, содержащееся в сообщении об одном из N равновероятных исходов события.
Представление чисел в компьютере
Главные правила представления данных в компьютере
Современный компьютер может хранить и обрабатывать данные, представляющие информацию четырех видов: числовую, текстовую, графическую, звуковую.
Правило № 2: представление данных в компьютере дискретно.
Правило № 3: множество представимых в памяти компьютера величин ограничено и конечно.
Дискретное множество состоит из отделенных друг от друга элементов. Например, песок дискретен, поскольку он состоит из отдельных песчинок. А вода или масло непрерывны.
Множество целых чисел в математике дискретно и не ограничено.
Любое вычислительное устройство (компьютер, калькулятор) может работать только с ограниченным множеством целых чисел. Возьмите в руки калькулятор, на индикаторном табло которого помещается 10 знаков. Аналогично дело обстоит и в компьютере.
Целые числа в компьютере
Правило № 4: в памяти компьютера числа хранятся в двоичной системе счисления. Например, если под целое число выделяется ячейка памяти размером в 16 битов, то самое большое целое положительное число будет таким:
Здесь первый бит играет роль знака числа. Ноль – признак положительного числа. Самое большое по модулю отрицательное число равно –32 768. Получим его внутреннее представление:
перевести число 32 768 в двоичную систему счисления:
инвертировать этот двоичный код, т. е. заменить нули на единицы, а единицы – на нули:
прибавить единицу к этому двоичному числу (складывать надо по правилам двоичной арифметики), в результате получим:
Бывает, что нужно работать только с положительными целыми числами. В таком случае используется формат представления целых чисел без знака.
Целые числа в памяти компьютера – это дискретное, ограниченное и конечное множество.
Границы множества целых чисел зависят от размера выделяемой ячейки памяти под целое число, а также от формата: со знаком или без знака. Шаг в компьютерном представлении последовательности целых чисел, как и в математическом, остается равным единице.
Вещественные числа в компьютере
Понятие вещественного (действительного) числа в математику ввел Исаак Ньютон в XVIII веке. В математике множество вещественных чисел непрерывно, бесконечно и не ограничено. Оно включает в себя множество целых чисел и еще бесконечное множество нецелых чисел. Между двумя любыми точками на числовой оси лежит бесконечное множество вещественных чисел, что и означает непрерывность множества.
Числа в компьютере (в том числе и вещественные) представлены в двоичной системе счисления.
Множество вещественных чисел, представимых в калькуляторе, дискретно с переменной величиной шага между соседними числами.
Представление текста, изображения и звука в компьютере
С текстовой и графической информацией конструкторы «научили» работать ЭВМ, начиная с третьего поколения (1970-е годы). А работу со звуком «освоили» лишь машины четвертого поколения, современные персональные компьютеры. С этого момента началось распространение технологии мультимедиа.
Принципиально важно, что текстовая информация уже дискретна – состоит из отдельных знаков. Поэтому возникает лишь технический вопрос – как разместить ее в памяти компьютера.
Модель представления текста в памяти весьма проста. За каждой буквой алфавита, цифрой, знаком препинания и иным общепринятым при записи текста символом закрепляется определенный двоичный код, длина которого фиксирована. В популярных системах кодировки (Windows-1251, КОШ и др.) каждый символ заменяется на 8-разрядное целое положительное двоичное число; оно хранится в одном байте памяти. Это число является порядковым номером символа в кодовой таблице. Согласно главной формуле информатики, определяем, что размер алфавита, который можно закодировать, равен: 2 8 = 256. Этого количества вполне достаточно для размещения двух алфавитов естественных языков (английского и русского) и всех необходимых дополнительных символов.
Поскольку в мире много языков и много алфавитов, постепенно совершается переход на международную систему кодировки Unicode, в которой используются многобайтовые коды. Например, если код символа занимает 2 байта, то с его помощью можно закодировать 2 16 = 65 536 различных символов.
При работе с электронной почтой почтовая программа иногда нас спрашивает, не хотим ли мы прибегнуть к кодировке Unicode для пересылаемых сообщений. Таким способом можно избежать проблемы несоответствия кодировок, из-за которой иногда не удается прочитать русский текст.
Текстовый документ, хранящийся в памяти компьютера, состоит не только из кодов символьного алфавита. В нем также содержатся коды, управляющие форматами текста при его отображении на мониторе или на печати: тип и размер шрифта, положение строк, поля и отступы и пр. Кроме того, текстовые процессоры (например, Microsoft Word) позволяют включать в документ и редактировать такие «нелинейные» объекты, как таблицы, оглавления, ссылки и гиперссылки, историю вносимых изменений и т. д. Всё это также представляется в виде последовательности байтовых кодов.
Принцип дискретности компьютерных данных справедлив и для графики.
Качество изображения зависит не только от размера растра, но и от размера экрана монитора, который обычно характеризуется длиной диагонали. Существует параметр разрешения экрана. Этот параметр измеряется в точках на дюйм (по-английски dots per inch – dpi).
На экране компьютера получается путем смешивания трех базовых цветов: красного, зеленого, синего. Этот принцип называется цветовой моделью RGB (Red, Green, Blue).
Двоичный код цвета определяет, в каком соотношении находятся интенсивности трех базовых цветов. Если все они смешиваются в одинаковых долях, то в итоге получается белый цвет. Если все три компоненты «выключены», то цвет пикселя – черный. Все остальные цвета лежат между белым и черным.
Дискретность цвета состоит в том, что интенсивности базовых цветов могут принимать конечное число дискретных значений.
Если размер кода цвета равен i битов, то количество цветов (размер палитры) вычисляется по формуле: 2 i = N
Цвет, который мы видим на листе бумаги, – это отражение белого (солнечного) света. Нанесенная на бумагу краска поглощает часть палитры, составляющей белый цвет, а другую часть отражает. Таким образом, нужный цвет на бумаге получают путем «вычитания» из белого света «ненужных красок». Поэтому в цветной полиграфии действует не правило сложения цветов (как на экране компьютера), а правило вычитания. Мы не будем углубляться в механизм такого способа цветообразования. Расшифруем лишь аббревиатуру CMYK: Cyan – голубой, Magenta – пурпурный, Yellow – желтый, Black – черный.
Растровая и векторная графика
В растровой графике графическая информация – это совокупность данных о цвете каждого пикселя на экране. В векторной графике графическая информация – это данные, математически описывающие графические примитивы, составляющие рисунок: прямые, дуги, прямоугольники, овалы и пр. Положение и форма графических примитивов представляются в системе экранных координат.
Растровую графику (редакторы растрового типа) применяют при разработке электронных (мультимедийных) и полиграфических изданий. Растровые иллюстрации редко создают вручную с помощью компьютерных программ. Чаще для этой цели используют сканированные иллюстрации, подготовленные художником на бумаге, или фотографии. Для ввода растровых изображений в компьютер применяются цифровые фото- и видеокамеры. Большинство графических редакторов растрового типа в большей мерю ориентированы не на создание изображений, а на их обработку.
Достоинство растровой графики – эффективное представление изображений фотографического качества. Основной недостаток растрового способа представления изображения – большой объем занимаемой памяти. Для его сокращения приходится применять различные способы сжатия данных. Другой недостаток растровых изображений связан с искажением изображения при его масштабировании. Поскольку изображение состоит из фиксированного числа точек, увеличение изображения приводит к тому, что эти точки становятся крупнее. Увеличение размера точек растра визуально искажает иллюстрацию и делает ее грубой.
Векторные графические редакторы предназначены в первую очередь для создания иллюстраций и в меньшей степени для их обработки.
Достоинства векторной графики – сравнительно небольшой объем памяти, занимаемой векторными файлами, масштабирование изображения без потери качества. Однако средствами векторной графики проблематично получить высококачественное художественное изображение. Обычно средства векторной графики используют не для создания художественных композиций, а для оформительских, чертежных и проектно-конструкторских работ.
Графическая информация сохраняется в файлах на диске. Существуют разнообразные форматы графических файлов. Они делятся на растровые и векторные. Растровые графические файлы (форматы JPEG, BMP, TIFF и другие) хранят информацию о цвете каждого пикселя изображения на экране. В графических файлах векторного формата (например, WMF, CGM) содержатся описания графических примитивов, составляющих рисунок.
Ввод звука в компьютер производится с помощью звукового устройства (микрофона, радио и др.), выход которого подключается к порту звуковой карты. Задача звуковой карты – с определенной частотой производить измерения уровня звукового сигнала (преобразованного в электрические колебания) и результаты измерения записывать в память компьютера. Этот процесс называют оцифровкой звука.
Существуют программы обработки звука – редакторы звука, позволяющие создавать различные музыкальные эффекты, очищать звук от шумов, согласовывать с изображениями для создания мультимедийных продуктов и т.д. С помощью специальных устройств, генерирующих звук, звуковые файлы могут преобразовываться в звуковые волны, воспринимаемые слухом человека.
При хранении оцифрованного звука приходится решать проблему уменьшения объема звуковых файлов. Это достигается путем использования различных алгоритмов, сжимающих оригинальный сигнал путем выкидывания из него слабослышимых элементов. Для сохранения звука без потерь используется универсальный звуковой формат файлов WAV. Наиболее известный формат «сжатого» звука (с потерями) – MP3. Он обеспечивает сжатие данных в 10 раз и более.
Хранение информации
Человек хранит информацию в собственной памяти, а также в виде записей на различных внешних (по отношению к человеку) носителях: на камне, папирусе, бумаге, магнитных и оптических носителях и пр. Благодаря таким записям, информация передается не только в пространстве (от человека к человеку), но и во времени – из поколения в поколение.
Информация может храниться в различных видах: в виде записанных текстов, рисунков, схем, чертежей; фотографий, звукозаписей, кино- или видеозаписей. В каждом случае применяются свои носители.
Носитель – это материальная среда, используемая для записи и хранения информации.
Практически носителем информации может быть любой материальный объект. Информацию можно сохранять на камне, дереве, стекле, ткани, песке, теле человека и т. д. Здесь мы не станем обсуждать различные исторические и экзотические варианты носителей.
Использование бумажных носителей информации
Носителем, имеющим наиболее массовое употребление, до сих пор остается бумага. Изобретенная во II веке н. э. в Китае бумага служит людям уже 19 столетий.
Что касается долговечности хранения документов, книг и прочей бумажной продукции, то она очень сильно зависит от качества бумаги, красителей, используемых при записи текста, условий хранения. Интересно, что до середины XIX века (с этого времени для производства бумаги начали использовать древесину) бумага делалась из хлопка и текстильных отходов – тряпья. Чернилами служили натуральные красители. Качество рукописных документов того времени было довольно высоким, и они могли храниться тысячи лет. С переходом на древесную основу, с распространением машинописи и средств копирования, с началом использования синтетических красителей срок хранения печатных документов снизился до 200-300 лет.
На первых компьютерах бумажные носители использовались для цифрового представления вводимых данных. Это были перфокарты: картонные карточки с отверстиями, хранящие двоичный код вводимой информации. На некоторых типах ЭВМ для тех же целей применялась перфорированная бумажная лента.
Использование магнитных носителей информации
В XIX веке была изобретена магнитная запись. Первоначально она использовалась только для сохранения звука. Самым первым носителем магнитной записи была стальная проволока диаметром до 1 мм. В начале XX столетия для этих целей использовалась также стальная катаная лента. Тогда же (в 1906 г.) был выдан и первый патент на магнитный диск. Качественные характеристики всех этих носителей были весьма низкими. Достаточно сказать, что для производства 14-часовой магнитной записи устных докладов на Международном конгрессе в Копенгагене в 1908 г. потребовалось 2500 км, или около 100 кг проволоки.
В 20-х годах XX века появляется магнитная лента сначала на бумажной, а позднее – на синтетической (лавсановой) основе, на поверхность которой наносится тонкий слой ферромагнитного порошка. Во второй половине XX века на магнитную ленту научились записывать изображение, появляются видеокамеры, видеомагнитофоны.
На ЭВМ первого и второго поколений магнитная лента использовалась как единственный вид сменного носителя для устройств внешней памяти. Любая компьютерная информация на любом носителе хранится в двоичном (цифровом) виде. Поэтому независимо от вида информации: текст это, или изображение, или звук – ее объем можно измерить в битах и байтах. На одну катушку с магнитной лентой, использовавшейся в лентопротяжных устройствах первых ЭВМ, помещалось приблизительно 500 Кб информации.
С начала 1960-х годов в употребление входят компьютерные магнитные диски: алюминиевые или пластмассовые диски, покрытые тонким магнитным порошковым слоем толщиной в несколько микрон. Информация на диске располагается по круговым концентрическим дорожкам, на которые она записывается и считывается в процессе вращения диска с помощью магнитных головок.
На первых ПК использовались гибкие магнитные диски (флоппи-диски) – сменные носители информации с небольшим объемом памяти – до 2 Мб. Начиная с 1980-х годов, в ПК начали использоваться встроенные в системный блок накопители на жестких магнитных дисках, или НЖМД (англ. HDD – Hard Disk Drive). Их еще называют винчестерскими дисками.
Винчестерский диск представляет собой пакет магнитных дисков, надетых на общую ось, которая при работе компьютера находится в постоянном вращении. С каждой магнитной поверхностью пакета дисков контактирует своя магнитная головка.
Информационная емкость современных винчестерских дисков измеряется в терабайтах.
Оптические диски и флеш-память
Применение оптического, или лазерного, способа записи информации начинается в 1980-х годах. Его появление связано с изобретением квантового генератора – лазера, источника очень тонкого (толщина порядка микрона) луча высокой энергии. Луч способен выжигать на поверхности плавкого материала двоичный код данных с очень высокой плотностью. Считывание происходит в результате отражения от такой «перфорированной» поверхности лазерного луча с меньшей энергией («холодного» луча). Первоначально на ПК вошли в употребление оптические компакт-диски – CD, информационная емкость которых составляет от 190 Мб до 700 Мб.
Во второй половине 1990-х годов появились цифровые универсальные видеодиски DVD (Digital Versatile Disk) с большой емкостью, измеряемой в гигабайтах (до 17 Гб). Увеличение их емкости по сравнению с CD связано с использованием лазерного луча меньшего диаметра, а также двухслойной и двусторонней записи. Вспомните пример со школьной библиотекой. Весь ее книжный фонд можно разместить на одном DVD.
В настоящее время оптические диски (CD и DVD) являются наиболее надежными материальными носителями информации, записанной цифровым способом. Эти типы носителей бывают как однократно записываемыми – пригодными только для чтения, так и перезаписываемыми – пригодными для чтения и записи.
В последнее время появилось множество мобильных цифровых устройств: цифровые фото- и видеокамеры, МРЗ-плееры, карманные компьютеры, мобильные телефоны, устройства для чтения электронных книг, GPS-навигаторы и др. Все эти устройства нуждаются в переносных носителях информации. Но поскольку все мобильные устройства довольно миниатюрные, к носителям информации для них предъявляются особые требования. Они должны быть компактными, обладать низким энергопотреблением при работе, быть энергонезависимыми при хранении, иметь большую емкость, высокие скорости записи и чтения, долгий срок службы. Всем этим требованиям удовлетворяют флеш-карты памяти. Информационный объем флеш-карты может составлять несколько гигабайтов.
В качестве внешнего носителя для компьютера широкое распространение получили так называемые флеш-брелоки (их называют в просторечии «флешки»), выпуск которых начался в 2001 году. Большой объем информации, компактность, высокая скорость чтения/записи, удобство в использовании – основные достоинства этих устройств.
Флеш-брелок подключается к USB-порту компьютера и позволяет скачивать данные со скоростью около 10 Мб в секунду.
В последние годы активно ведутся работы по созданию еще более компактных носителей информации с использованием нанотехнологий, работающих на уровне атомов и молекул вещества. В результате один компакт-диск, изготовленный по нанотехнологии, сможет заменить тысячи оптических дисков. По предположениям экспертов, приблизительно через 20 лет плотность хранения информации возрастет до такой степени, что на носителе объемом примерно с кубический сантиметр можно будет записать каждую секунду человеческой жизни.
Передача информации
Процесс передачи информации протекает от источника к приемнику по информационным каналам связи.
Первой в истории технической системой передачи информации стал телеграф. В 1876 году американец Александр Белл изобрел телефон. На основании открытия немецким физиком Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 год), А. С. Попов в России в 1895 году и почти одновременно с ним в 1896 году Г. Маркони в Италии изобрели радио. Телевидение и Интернет появились в XX веке.
Модель передачи информации К. Шеннона
Все перечисленные способы информационной связи основаны на передаче на расстояние физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи, возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи – математическую теорию связи разработал американский ученый Клод Шеннон.
Клодом Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим каналам связи, представленная схемой на рис. 2.1.
Работу такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону. Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством – микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь) преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи служит телефонная сеть (провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал). Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего человека – приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал превращается в звук.
Рис. 2.1. Модель передачи информации по техническим каналам связи
Современные компьютерные системы передачи информации – компьютерные сети, работают по тому же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции кодирования/декодирования выполняет прибор, который называется модемом.
Разработчикам технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить потери информации при передаче. К. Шеннон был первым ученым, взявшимся за решение этих задач и создавшим новую для того времени науку – теорию информации.
Пропускная способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в компьютерных сетях используются следующие средства связи:
электрическая кабельная связь;
оптоволоконная кабельная связь;
Пропускная способность телефонных линий – десятки и сотни Кбит/с; пропускная способность оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.
Иногда, например, беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на наш разговор накладывается разговор других людей.
Наличие шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима защита от шума. Для этого в первую очередь применяются технические способы защиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы бывают самыми разными, иногда простыми, иногда очень сложными. Например: использование экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение разного рода фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума и пр.
Однако нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и удорожанию связи. Теория кодирования как раз и позволяет получить такой код, который будет оптимальным: избыточность передаваемой информации будет минимально возможной, а достоверность принятой информации – максимальной.
Большой вклад в научную теорию связи внес известный советский ученый Владимир Александрович Котельников. В 1940- 1950-х годах им получены фундаментальные научные результаты по проблеме помехоустойчивости систем передачи информации.
В современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при передаче часто применяется следующий прием. Всё сообщение разбивается на порции – блоки. Для каждого блока вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая передается вместе с данным блоком. В месте приема заново вычисляется контрольная сумма принятого блока и, если она не совпадает с первоначальной суммой, передача данного блока повторяется. Так происходит до тех пор, пока исходная и конечная контрольные суммы не совпадут.
Обработка информации и алгоритмы
Обработка информации, наряду с хранением и передачей, относится к основным видам информационных процессов.
Варианты обработки информации
Обработка информации производится каким-то субъектом или объектом (например, человеком или компьютером) в соответствии с определенными правилами. Будем его называть исполнителем обработки информации. Информация, которая подвергается обработке, представляется в виде исходных данных. На рисунке 2.2 в обобщенном виде представлен процесс обработки информации.
Рис. 2.2. Модель обработки информации
Существуют четыре различных вида обработки информации:
получение новой информации, новых сведений;
изменение формы представления информации;
систематизация, структурирование данных;
Все эти виды обработки может выполнять как человек, так и компьютер. Если исполнителем обработки информации является человек, то правила обработки, по которым он действует, не всегда формальны и однозначны. Человек часто действует творчески, неформально. Даже однотипные математические задачи он может решать разными способами. Работа журналиста, ученого, переводчика и других специалистов – это творческая работа с информацией, которая выполняется ими не по формальным правилам.
Слово «алгоритм» произошло от имени выдающегося математика средневекового Востока Мухаммеда аль-Хорезми, описавшего еще в IX веке правила выполнения вычислений с многозначными десятичными числами. Правила сложения, вычитания, умножения столбиком, деления «уголком» – это алгоритмы аль-Хорезми.
С понятием алгоритма в математике ассоциируется известный способ вычисления наибольшего общего делителя (НОД) двух натуральных чисел, который называют алгоритмом Евклида.
Алгоритмические машины и свойства алгоритмов
В 30-х годах XX века возникает новая наука – теория алгоритмов. Вопрос, на который ищет ответ эта наука: для всякой ли задачи обработки информации может быть построен алгоритм решения?
Английский ученый Алан Тьюринг предложил модель исполнителя, получившую название « машина Тьюринга ». По замыслу Тьюринга, его «машина» является универсальным исполнителем обработки любых символьных последовательностей в любом алфавите. Практически одновременно с Тьюрингом (1936-1937 гг.) другую модель алгоритмической машины описал Эмиль Пост. Машина Поста работает с двоичным алфавитом и несколько проще в своем «устройстве». Можно Алан Тьюринг сказать, что машина Поста является частным (1912-1954), случаем машины Тьюринга.
На основании моделей Тьюринга, Поста и некоторых других ученые пришли к выводу о существовании алгоритмически неразрешимых задач.
Язык программирования алгоритмических машин представляет собой описание конечного числа простых команд, которые могут быть реализованы в автоматическом устройстве.
Совокупность всех команд языка исполнителя называется системой команд исполнителя алгоритмов – СКИ.
Алгоритм управления работой алгоритмической машины представляет собой конечную последовательность команд, посредством выполнения которой машина решает задачу обработки информации.
Алгоритм управления такой машиной должен обладать следующими свойствами :
дискретностью (каждый шаг алгоритма выполняется отдельно от других);
понятностью (в алгоритме используются только команды из СКИ);
точностью (каждая команда определяет однозначное действие исполнителя);
конечностью (за конечное число шагов алгоритма получается искомый результат).
Команда – это отдельная инструкция в описании алгоритма, а шаг алгоритма – это отдельное действие, которое исполнитель выполняет по команде. В циклических алгоритмах число шагов при выполнении алгоритма может быть больше, чем число команд в алгоритме, за счет повторного выполнения одних и тех же команд.
Автоматическая обработка информации
Под словом « программа » понимается алгоритм, записанный по строгим правилам языка команд исполнителя – на языке программирования для данного исполнителя.
Опишем архитектуру машины Поста (рис. 2.3). Имеется бесконечная информационная лента, разделенная на позиции – клетки. В каждой клетке может либо стоять метка (некоторый знак), либо отсутствовать (пусто).
Рис. 2.3. Модель машины Поста
Каретка является еще и процессором машины. С ее помощью машина может:
распознать, пустая клетка или помеченная знаком;
стереть знак в текущей клетке;
записать знак в пустую текущую клетку.
Если произвести замену меток на единицы, а пустых клеток – на нули, то информацию на ленте можно будет рассматривать как аналог двоичного кода телеграфного сообщения или данных в памяти компьютера. Существенное отличие каретки- процессора машины Поста от процессора компьютера состоит в том, что в компьютере возможен доступ процессора к ячейкам памяти в произвольном порядке, а в машине Поста – только последовательно.
Таблица 2.1. Система команд машины Поста
Сдвиг каретки на шаг влево и переход к выполнению команды с номером т
Сдвиг каретки на шаг вправо и переход к выполнению команды с номером т
Запись метки в текущую пустую клетку и переход к выполнению команды с номером т
Стирание метки в текущей клетке и переход к выполнению команды с номером т
Остановка выполнения программы
Переход в зависимости от содержимого текущей клетки: если текущая клетка пустая, то следующей будет выполняться команда с номером т, если непустая – команда с номером k
Автоматическая обработка информации возможна, если:
информация представлена в формализованном виде – в конечном алфавите некоторой знаковой системы;
реализован исполнитель, обладающий конечной системой команд, достаточной для построения алгоритмов решения определенного класса задач обработки информации;
реализовано программное управление работой исполнителя.
Машина Поста – пример автоматического исполнителя обработки информации с ограниченными возможностями. Компьютер удовлетворяет всем вышеперечисленным свойствам. Он является универсальным автоматическим исполнителем обработки информации.
Информационные процессы в компьютере
Компьютер (ЭВМ) – автоматическое, программно-управляемое устройство для работы с информацией.
В состав компьютера входят устройства памяти (хранение данных и программ), процессор (обработка информации), устройства ввода/вывода (прием/передача информации).
В 1946 году Джоном фон Нейманом были сформулированы основные принципы устройства ЭВМ, которые называют фон-неймановской архитектурой.
Современный компьютер представляет собой единство аппаратуры (hardware) и программного обеспечения (software).
Серийное производство электронных вычислительных машин (ЭВМ) начинается в разных странах в 1950-х годах. Историю развития ЭВМ принято делить на поколения. Переход от одного поколения к другому связан со сменой элементной базы, на которой создавались машины, с изменением архитектуры ЭВМ, с развитием основных технических характеристик (скорости вычислений, объема памяти и др.), с изменением областей применения и способов эксплуатации машин.
Под архитектурой ЭВМ понимаются наиболее общие принципы построения компьютера, реализующие программное управление его работой и взаимодействие основных функциональных узлов.
В основе архитектуры ЭВМ разных поколений лежат принципы Джона фон Неймана. Однако в процессе развития происходят некоторые отклонения от фон-неймановской архитектуры.
Однопроцессорная архитектура ЭВМ
Элементной базой ЭВМ первого поколения (1950-е годы) были электронные лампы, а ЭВМ второго поколения (1960-е годы) создавались на базе полупроводниковых элементов. Однако их архитектура была схожей. Она в наибольшей степени соответствовала принципам фон Неймана. В этих машинах один процессор управлял работой всех устройств: внутренней и внешней памяти, устройств ввода и вывода, как показано на рис. 2.4.
Рис. 2.4. Структура однопроцессорной ЭВМ. Сплошные стрелки – передача данных, пунктирные стрелки – управляющее воздействие
Согласно принципам фон Неймана, исполняемая программа хранится во внутренней памяти – в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ). Там же находятся данные, с которыми работает программа. Каждая команда программы и каждая величина (элемент данных) занимают определенные ячейки памяти.
Процессор начинает выполнение программы с первой команды и заканчивает на команде остановки, назовем ее STOP. При выполнении очередной команды процессор извлекает из памяти обрабатываемые величины и заносит их в специальные ячейки внутренней памяти процессора – регистры. Затем выполняется команда, например складываются два числа, после чего полученный результат записывается в определенную ячейку памяти. Процессор переходит к выполнению следующей команды. Исполнение программы закончится, когда процессор обратится к команде STOP.
Среди команд программы существуют команды обработки данных и команды обращения к внешним устройствам. Команды обработки данных выполняет сам процессор с помощью входящего в него арифметико-логического устройства – АЛУ, и этот процесс происходит сравнительно быстро. А команды управления внешними устройствами выполняются самими этими устройствами: устройствами ввода/вывода, внешней памятью. Время выполнения этих команд во много раз больше, чем время выполнения команд обработки данных. При однопроцессорной архитектуре ЭВМ, показанной на рис. 2.4, процессор, отдав команду внешнему устройству, ожидает завершения ее выполнения. При большом числе обращений к внешним устройствам может оказаться, что большую часть времени выполнения программы процессор «простаивает» и, следовательно, его КПД оказывается низким. Быстродействие ЭВМ с такой архитектурой находилось в пределах 10-20 тысяч операций в секунду (оп./с).
Использование периферийных процессоров
Следующим шагом в развитии архитектуры ЭВМ стал отказ от однопроцессорного устройства. Уже на последних моделях машин второго поколения, помимо центрального процессора (ЦП), выполнявшего обработку данных, присутствовали периферийные процессоры, которые назывались каналами ввода/вывода (рис. 2.5). Их задача состояла в автономном управлении устройствами ввода/вывода и внешней памяти, что освобождало от этой работы центральный процессор. В результате КПД центрального процессора существенно возрос. Быстродействие некоторых моделей машин с такой архитектурой составляло от 1 до 3 млн оп./с.
Рис. 2.5. Структура ЭВМ с одним центральным процессором и периферийными процессорами управления внешними устройствами (треугольники)
На всех моделях ЭВМ третьего поколения, которые создавались на базе интегральных схем (1970-80-е годы), использовалась архитектура с одним центральным процессором и периферийными процессорами внешних устройств. Такая многопроцессорная архитектура позволяла реализовать мультипрограммный режим работы : пока одна программа занята вводом/выводом данных, которым управляет периферийный процессор, другая программа занимает центральный процессор, выполняя вычисления. Благодаря совершенствованию элементной базы и других аппаратных средств на некоторых моделях ЭВМ третьего поколения достигалось быстродействие до 10 млн оп./с.
Для разделения ресурсов ЭВМ между несколькими выполняемыми программами потребовалось создание специального программного обеспечения: операционной системы (ОС). К разделяемым ресурсам, прежде всего, относятся время работы центрального процессора и оперативная память. Задача ОС состоит в том, чтобы разные программы, выполняемые одновременно на ЭВМ, «не мешали» друг другу и чтобы КПД центрального процессора был максимальным, иначе говоря, чтобы ЦП не «простаивал». ОС берет на себя также заботу об очередности использования несколькими программами общих внешних устройств: внешней памяти, устройств ввода/вывода.
Архитектура персонального компьютера
Персональный компьютер (ПК) – самый распространенный в наше время тип компьютера. Появление ПК связано с созданием микропроцессоров, которое началось в 1970-х годах. До недавнего времени в устройстве ПК существовал один центральный процессор и множество периферийных процессоров, управляющих внешними устройствами, которые называются контроллерами. Архитектура такого ПК изображена на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Архитектура персонального компьютера (сплошные стрелки – направление потоков информации, пунктирные – направление управляющих сигналов,
К – контроллер)
Системная шина состоит из трех частей:
шина данных (для передачи данных);
шина адреса (для передачи адресов устройств, которым передаются данные);
шина управления (для передачи управляющих сигналов, синхронизирующих работу разных устройств).
Открытая архитектура персонального компьютера – это архитектура, предусматривающая модульное построение компьютера с возможностью добавления и замены отдельных устройств.
Важное событие в совершенствовании архитектуры ПК произошло в 2005 году: был создан первый двухъядерный микропроцессор. Каждое ядро способно выполнять функции центрального процессора. Эта особенность архитектуры позволяет производить на ПК параллельную обработку данных, что существенно увеличивает его производительность. Выпускаемые в настоящее время микропроцессоры содержат до 8 ядер.
Архитектура ненеймановских вычислительных систем
Несмотря на стремительно нарастающую производительность ЭВМ, которая каждые 4-5 лет по важнейшим показателям практически удваивается, всегда есть классы задач, для которых никакой производительности не хватает. Укажем некоторые из них:
Математические расчеты, лежащие в основе реализации математических моделей многих процессов. Гигантские вычислительные ресурсы, которые можно реализовать очень быстро (как иногда говорят, в масштабе реального времени ), необходимы для более надежного и долгосрочного прогноза погоды, для решения аэрокосмических задач, в том числе и оборонных, для решения многих инженерных задач и т.д.
Поиск информации в гигантских базах данных, в информационном пространстве Интернета.
Моделирование интеллекта – при всех фантастических показателях, объем оперативной памяти современных компьютеров составляет лишь малую долю объема памяти человека.
Быстродействие компьютера с одним центральным процессором имеет физическое ограничение: повышение тактовой частоты процессора ведет к повышению тепловыделения, которое не может быть неограниченным. Перспективный путь повышения производительности компьютера лежит на пути отказа от единственности главных устройств компьютера: либо процессора, либо оперативной памяти, либо шины, либо всего этого вместе. Это путь еще большего отступления от архитектуры фон Неймана.
Варианты реализации ненеймановских вычислительных систем
Распределенные вычисления – способ реализации параллельных вычислений путем использования множества компьютеров, объединенных в сеть. Такие вычислительные системы еще называют мультикомпьютерными.
Распределенные вычисления часто реализуются с помощью компьютерных кластеров – нескольких компьютеров, связанных в локальную сеть и объединенных специальным программным обеспечением, реализующим параллельный вычислительный процесс. Распределенные вычисления могут производиться и с помощью многомашинных вычислительных комплексов, образуемых объединением нескольких отдельных компьютеров через глобальные сети.
Один из самых мощных в мире суперкомпьютеров под названием «Ломоносов» произведен в России и работает в Московском государственном университете. Его быстродействие составляет более ста триллионов операций в секунду.