Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
 МегаЛекции

Структура современной информатики.




Лекция 1.

Предмет и задачи информатики.

Информатика — техническая наука, изучающая все аспекты получения, преобразования, передачи, использования информации, а также средства, необходимые для осуществления информационных процессов.

Используемые информатикой приемы и методы делают ее близкой к технологии, поэтому часто предмет информатики называют информационной технологией.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

  • Аппаратное обеспечение средств вычислительной техники(СВТ)
  • Программное обеспечение СВТ
  • Средства взаимодействия между аппаратным и программным обеспечением
  • Средства взаимодействия человека с аппаратным и программным обеспечением

Основной объект исследований — информация.

Основная задача — систематизация приемов и методов работы с аппаратным и программным обеспечением.

В составе основной задачи выделяют следующие практические направления:

  • Архитектура вычислительных систематизаций (приемы и методы построения СВТ)
  • Приемы и методы управления СВТ
  • Программирование
  • Преобразование данных
  • Защита информации
  • Автоматизация
  • Стандартизация

 

Истоки и предпосылки информатики.

Информатика как самостоятельная наука появилась в середине XX века после создания ЭВМ (компьютеров). С проблемой обработки данных люди сталкивались задолго до появления компьютеров. Создавались всевозможные приспособления для облегчения вычислений. Сначала механические, затем электрические и наконец, наиболее современными оказались электронные вычислительные машины (первая ЭВМ — 1945, США).

Слово «информатика» происходит из французского языка как сочетание слов «информация» и «автоматика».

В качестве источников информатики — 2 науки:

  • Документалистика
  • Кибернетика

Документалистика появилась в конце XIX века. Ее предметом является изучение средств и методов повышения эффективности документооборота. Для этого были созданы информационно-поисковые системы различной сложности. Простейший пример — библиотечные каталоги.

Кибернетика — середина XX века(40-е годы). Ее предметом является изучение принципов построения и функционирования систем автоматического управления.

Кибернетика для целей управления использовала в основном числовые данные и, тем самым, способствовала созданию и развитию как технических средств для обработки числовых данных, так и соответствующих математических методов.

В свою очередь документалистика использовала в основном текстовую (символьную) информацию. Появившийся компьютер в одной системе объединил обработку как числовой, так и символьной информации. Это способствовало возникновению новой науки — информатики.

Структура современной информатики.

Современная информатика — объемная дисциплина, включающая в себя большое число отдельных самостоятельных дисциплин. Необходимо классифицировать основные научные направления информатики, опираясь на единство решаемых в них задач и подходов к информации.

Таких направлений шесть:

  1. Теоретическая информатика
  2. Кибернетика
  3. Программирование
  4. Искусственный интеллект
  5. Информационные системы
  6. Вычислительная техника

Теоретическая информатика — наиболее важное направление информатики. Оно создает теоретический фундамент для всего остального. Теоретическая информатика использует математические методы для построения и изучения моделей обработки и использования информации. Включает в себя несколько отдельных дисциплин. Их следует классифицировать по общности решаемых задач.

a) Дисциплины, опирающиеся на математическую логику (теория алгоритмов, теория автоматов).

b) Использование компьютера для решения практических задач требует специальных математических методов (численные методы). Созданием таких методов занимаются вычислительная математика и вычислительная геометрия.

c) К этому классу относятся дисциплины, изучающие информацию как абстрактный объект исследования и законы, по которым протекают информационные процессы (теория кодирования — форма представления информации; теория передачи данных — теоретические основы передачи информации по каналам связи).

d) К этому классу относятся дисциплины, использующие информацию для принятия решений в различных ситуациях (теория принятия решений изучает общие схемы выбора нужного решения из множества альтернативных возможностей; теория игр — схемы выбора решения в условиях противоборства; математическое программирование — методы выбора наилучшего решения для достижения поставленной цели).

e) Для обработки информации в компьютере вместо реальных объектов используют их математические модели. Переход от объекта к модели — формализация. Этими вопросами занимаются: системный анализ — приемы и методы формализации; имитационное моделирование — методы воспроизведения в компьютере, т.е. на математической модели, тех процессов, которые протекают на реальном объекте. Теория массового обслуживания изучает особый класс моделей — систем массового обслуживания.

Кибернетика — наука об управлении. Винер — основатель, США. Основная задача — построение и изучение моделей для систем автоматического управления. В 40е годы прошлого(XX) века была выдвинута идея о существовании единой теории управления для живых, неживых и искусственных систем. Идея не осуществилась, но накопленные сведения о различных системах управления и выработанные общие принципы принесли большую пользу. Появились математические модели и методы даже в тех науках, которые до этого не знали точных расчетов. Например: математическая лингвистика, химическая кибернетика, юридическая кибернетика.

В состав входят:

  • Теория автоматического управления. Приемы и методы управления с помощью СВТ и явлений теоретических основ информатики.
  • Техническая диагностика — методы контроля за работой технических систем и поиска повреждений в них.

Сравнительно недавно появилась дисциплина «распознавание образов». Изучает методы автоматической классификации различных объектов.

В целом кибернетика — прикладная информатика в области создания и использования автоматических и автоматизированных систем.

Программирование — научное направление, своим появлением полностью обязано вычислительным машинам, поскольку именно для них пишутся компьютерные программы. На сегодняшний день существуют следующие направления в области программирования:

  • Создание языков программирования, облегчающих взаимодействие человека с вычислительной машиной.
  • Системное программирование — занимается созданием операционных систем, без которых не может функционировать компьютер.
  • Прикладное программирование. Создание пакетов прикладных программ, позволяющих применять компьютер в различных сферах человеческой деятельности.
  • Создание языков обмена данными между компьютерами. Такие языки называются протоколы связи.
  • Создание языков запросов для информационных банков данных.

Искусственный интеллект — самое молодое направление в информатике (где-то с начала 70х гг. 20 века). Тем не менее, именно искусственный интеллект сегодня определяет стратегическое направление развития всей информатики. Основная цель исследований — стремление проникнуть в тайны творческой деятельности людей, их способности к овладению знаниями, навыками и умениями. Для этого необходимо раскрыть механизмы, с помощью которых человек способен научить практически любому виду деятельности. Такая цель исследований делает искусственный интеллект близким к психологии — науке, изучающей интеллект человека. На стыке психологии и искусственного интеллекта развиваются следующие дисциплины:

  • Когнитивная психология (психология познания).
  • Психология восприятия информации.
  • Моделирование рассуждений.
  • Психолингвистика.

Тем не менее, искусственный интеллект — не чисто теоретическое направление исследований, ведутся работы по созданию действующих интеллектуальных систем. Этим занимаются две дисциплины: робототехника, экспертные системы (в компьютер закладывается человеческий опыт).

Информационные системы — начало этому направлению было положено исследованиями в области документалистики и анализа научно-технической информации. Сегодня здесь решаются следующие задачи:

  • Анализ и прогнозирование потоков информации, циркулирующих в обществе с целью их стандартизации, минимизации и приспособления для обработки на компьютерах
  • Исследование способов представления информации: создание языков для формального описания данных, а также приемов и методов сжатия и кодирования данных. Все это нужно для создания информационных банков данных большого объема.
  • Построение технических средств и создание методов обработки, необходимых для извлечения информации из документов, не предназначенных для компьютера.
  • Создание сетей для хранения, передачи и поиска информации. Такие сети включают банки данных, обрабатывающие центры и каналы связи. Пример: Интернет.

Вычислительная техника — во многом самостоятельное направление исследований и некоторые решаемые вопросы не имеют прямого отношения к информатике, например — создание элементной базы для СВТ. Основная задача специалистов в области вычислительной техники — создание и совершенствование аппаратных средств вычислительной техники и в первую очередь — компьютеров. Для создания современного компьютера нужны знания в области архитектуры вычислительных систем, принципов их функционирования, нужно знать, какое программное обеспечение будет установлено на компьютере. Таким образом — в создании компьютера принимают участие специалисты по теоретической информатике, кибернетике, программированию, искусственному интеллекту. Современный компьютер создается с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР).

 

Понятие информации.

Информация — содержание сообщения, сигнала или памяти, а также сведения, содержащиеся в сообщении, сигнале или памяти. Сообщения, сигналы и память содержат данные о событиях, произошедших в материальном мире. Извлечь информацию из данных можно с помощью подходящих для этого методов обработки. Информация — продукт взаимодействия данных и адекватных им методов, причем данные, всегда объективны, а методы — субъективны, поскольку создаются людьми. Информация всегда связана с материальным носителем. В качестве носителя могут выступать различные предметы. При передаче информации между потребителями в качестве носителя выступают сигналы. Сигнал — физический процесс, несущий информацию. Он может иметь различную физическую природу — механическую, световую, тепловую, электрическую, акустическую... Среди физических параметров сигнала выбирают один или несколько, значения которых будут нести информацию. Эти параметры называют информационными параметрами сигнала. Таковыми могут быть, например, амплитуда, длительность, частота, цвет, яркость и т.п. Если значения информационных параметров образуют дискретное множество, то сигнал называют дискретным или цифровым. А если это множество значений непрерывно, то сигнал называют аналоговым. Например, сигналы, несущие текстовую или символическую информацию — дискретные сигналы, а сигналы, несущие информацию об изменении физических характеристик — аналоговые. Соответственно, технические устройства, обрабатывающие эти два вида сигналов делят на цифровую и аналоговую технику. Например, вся аппаратура вычислительной техники — цифровая техника, а, скажем, измерительные приборы и датчики — аналоговая техника. При передаче по каналам связи и в процессе обработки на сигналы могут накладываться посторонние физические процессы, которые могут искажать информационные параметры. Такие посторонние процессы называют помехами или шумами. Очевидно, что с помехами нужно бороться. Для этого используют инженерные методы (увеличивают мощность полезного сигнала по отношению к помехе или устраняют причины возникновения помех), информационные методы (кодирование сигналов) специальным помехозащищающим кодом. В ходе информационного процесса сигналы могут менять свою физическую природу без потери информации. В качестве примера — телефонная связь (акустический сигнал — в электронный — опять в акустический). Также в ходе передачи и обработки может изменяться информационный характер сигналов. Аналоговый сигнал может быть преобразован в дискретный (квантование) с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). И наоборот, цифровой сигнал преобразуется в аналоговый с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). Передача информации сопровождается затратами энергии. Количество затраченной энергии зависит от способа передачи, но последствия передачи информации, в том числе материальные, совершенно не зависят от физических затрат на передачу. Это говорит о том, что информационные процессы не сводимы к физическим, а информация, вместе с энергией и материей является одной из фундаментальных сущностей окружающего нас мира.

Количество информации.

Математическое понятие информации тесно связано с ее измерением. Существуют два подхода (способа) измерения количества информации.

  1. Энтропийный
  2. Объемный

Энтропийный способ применяется в теории информации. Он учитывает ценность или полезность информации для человека. Способ измерения основан на следующей модели: пусть получателю сообщения известны определенные представления о возможном наступлении некоторых событий. Число событий обозначим n. В общем случае эти представления недостоверны и характеризуются вероятностью их наступления Pi. i=1,n. Общая мера неопределенности (энтропия) — H — математическая величина, зависящая от совокупности вероятностей — вычисляется по формуле . В теории информации a=2, единица измерения называется бит. Количество полезной информации в сообщении определяется тем, насколько уменьшается энтропия после получения сообщения. Существуют два крайних случая: сообщение называют тривиальным если оно не несет полезной информации (Hн=Hк); сообщение называется полным, если оно полностью снимает всю неопределенность (Hк=0).

 

В технике используют объемный способ измерения количества информации. Он основан на подсчете числа символов в сообщении, то есть связан с его длиной и не учитывает полезность информации для человека. Длина сообщения зависит от мощности используемого алфавита. То есть числа различных символов для записи сообщения. В СВТ используется двоичный алфавит, то есть сообщения записываются с помощью двух символов — 0 и 1. Один разряд двоичной записи называется бит. Также используется единица измерения байт — один символ сообщения, представленный восьмиразрядным двоичным кодом. На практике используются более крупные единицы измерения(килобайт, мегабайт, гигабайт, терабайт, петабайт...).

Эти два способа измерения — энтропийный и объемный, как правило, не совпадают, причем энтропийное количество информации не может быть больше числа символов в сообщении. Если же оно меньше, то говорят, что сообщение избыточно. На основе понятий энтропии и количества информации вводятся важные характеристики информационных систем:

  1. Скорость создания информации — энтропия источника, отнесенная к единице времени, бит/с.
  2. Скорость передачи информации — количество информации, переданное по каналу связи за единицу времени, бит/с.
  3. Избыточность сообщений и сигналов — безразмерная величина, показывающая, какую долю полезной информации несет сообщение или сигнал. Где n0- минимальная из длин сообщений, несущих аналогичную полезную информацию. Избыточность вредна, но она является информационным средством.

 

Кодирование информации.

Кодирование — это представление информации в виде определенных символических структур. Чаще всего используют одномерные представления, когда сообщение записывается в виде цепочки символов(например в письменных текстах, при передаче по каналу связи, при обработке в СВТ). Также используют многомерные представления. Например — всевозможные схемы, рисунки, макеты, схемы. В узком смысле под кодированием понимают переход от исходного представления для последующей передачи, обработки, хранения. В этом смысле обратный переход к исходному представлению называют декодирование. При кодировании ставятся различные цели и применяются различные методы. Наиболее распространенными целями являются:

  1. Экономность сообщения, то есть снижение избыточности.
  2. Повышение скорости передачи и обработки.
  3. Надежность — защита информации от несанкционированного доступа.
  4. Сохранность — защита информации от случайных искажений.
  5. Удобство физической реализации (именно с этой целью в СВТ используют двоичное кодирование).
  6. Удобство восприятия информации.

Указанные цели часто противоречат друг другу, так обеспечение надежности требует введения в сообщении дополнительных символов, то есть делает их неэкономными. То же самое происходит при обеспечении сохранности. Например, в финансовых документах числа часто записывают не в виде цифр, а словами, поскольку искажение или потеря цифры изменяет число, а искажение одной буквы — нет. В ходе сложного информационного процесса могут изменяться цели кодирования, и информация неоднократно перекодируется, например, в процессе создания компьютерной программы сначала алгоритм записывается словесно, затем представляется в виде графической схемы, далее переводится на язык программирования, и, в конечном итоге, представляется в виде двоичных машинных кодов. Одним из основных принципов построения и функционирования СВТ является принцип двоичного кодирования, то есть все виды данных (числовые, графические, текстовые, аудио- и видеоданные) представляются в двоичном коде, то есть в виде последовательности двоичных разрядов.

 

Представление числовых данных.

В двоичной системе числовые данные представляются аналогично тому, как они строятся в десятичной системе. Каждому двоичному разряду ставится в соответствие его вес, равный соответствующей степени двойки (самый младший 20=1, затем 21=2, 4, 8, и т.д.).

Представление символьных данных.

Для того, чтобы записать текст в двоичном коде, нужно каждый символ заменить некоторым числом, например порядковым номером символа в определенной таблице. Такая таблица устанавливает соответствие между символом и его кодом. Одного байта достаточно, чтобы закодировать 28=256 различных символов. Такие таблицы называются восьмиразрядными. Этого достаточно, чтобы закодировать буквы естественного языка (английского и русского), математические символы, цифры, знаки препинания. Весь мир должен воспринимать текстовые данные одинаково — нужны единые, стандартизованные кодировочные таблицы. К сожалению, на сегодняшний день существует большое число различных кодировочных таблиц, учитывающих как национальные алфавиты, так и интересы фирм-производителей ПО. Была сделана попытка создания универсальной 16-разрядной таблицы Unicode.

Представление графических данных.

При кодировании изображений используют 2 подхода:

  1. Точечная (растровая) графика
  2. Векторная графика

В точечной графике изображение строится из большого числа отдельных точек (пикселей). Для каждого пикселя в числовой форме (в виде кода) задаются координаты на экране или бумаге, а также свойства, такие как яркость и цвет. Недостаток такого кодирования — большой объем данных (используется компрессия изображений). Плюс — можно кодировать любые произвольные изображения.

В векторной графике изображение строится из стандартных геометрических фигур (линия, прямоугольник, окружность..). Для каждой фигуры в числовой форме задаются ее тип, координаты, свойства. Такой подход дает более компактный объем данных для кодирования. Недостаток — область применения ограничена геометрически-правильными изображениями.

Представление аудио- и видеоданных.

Аудио- и видеоданные — потоковые данные, изменяющиеся во времени. В исходном виде — аналоговые сигналы. Для перевода их в числовую форму используют аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Сам процесс называется квантованием или оцифровкой. Качество звука или видео будет определяться разрядностью преобразования (какое количество двоичных разрядов обрабатывается одновременно).

 

Свойства информации.

Как и любой другой объект, информация обладает свойствами:

  1. Объективность (Информация образуется из объективных данных субъективными методами. Чем большей обработке подвергаются данные, тем меньше объективность информации. Например, фотография какого-либо объекта считается более объективной информацией, чем рисунок этого объекта, созданный человеком.)
  2. Полнота информации. Определяет качество информации. Достаточность информации для принятия решений или получения новых данных на основе имеющихся.
  3. Достоверность. Показывает степень искажения информации в ходе ее получения. Например, влияние помех при регистрации сигналов.
  4. Адекватность. Степень соответствия информации реальным событиям. Неадекватность может возникнуть из-за неполных или недостоверных данных или вследствие применения к ним неадекватных методов обработки.
  5. Доступность информации. Показывает возможность получения той или иной информации.
  6. Актуальность. Соответствие информации текущему моменту времени.
Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...