Информатика 2015

400 Pages·2015·7.696 MB·Russian

by  Алексеев А.П.

А.П. Алексеев

ИНФОРМАТИКА 2015

Учебное пособие

Рекомендовано к изданию методическим советом Поволжского государст-
венного университета телекоммуникаций и информатики

Москва
СОЛОН-Пресс
2015
004:004.056(075.8)
А47

Рекомендовано к изданию методическим советом ПГУТИ,
протокол № 15 от 17 декабря 2014 г.

Рецензенты:
Заведующий кафедрой компьютерных систем и технологий Шуменского
университета им. Епископа Константина Преславского (Болгария), д.т.н,
профессор Станев Станимир Стоянов.

Профессор кафедры геоинформатики и информационной безопасности Са-
марского государственного аэрокосмического университета им.
С.П.Королёва (Национального исследовательского университета) д.т.н., про-
фессор, Лауреат Государственной Премии СССР
Мостовой Яков Анатольевич.

Алексеев, А.П.
Информатика 2015: учебное пособие/ Алексеев А.П.— 2015. — 400 с., илл.

Книга соответствует типовой программе по информатике для
высших учебных заведений. Отличительной особенностью публикации
является изложение основных принципов, идей, исторического аспекта изла-
гаемых вопросов, обзоров по программным продуктам и аппаратным сред-
ствам, толкование терминов. Такой подход позволяет сохранить актуаль-
ность изученного материала в течение нескольких лет.
В книге в компактной форме даны основные понятия информатики,
рассмотрены арифметические и логические основы работы ЭВМ, принцип
действия важнейших устройств ЭВМ. Дано представление о локальных и
глобальных сетях, описана организация данных в ЭВМ, методы сжатия ин-
формации, помехоустойчивого кодирования. Дано понятие о вирусах и ан-
тивирусных программах. Рассмотрены основные понятия криптографии,
стеганографии. Заметный акцент в книге сделан на изложение вопросов
защиты информации.

ISBN 978-5-91359-158-6 © Алексеев А.П., 2015
© СОЛОН-Пресс, 2015
Введение 3
__________________________________________________________________________________

Посвящается 100-летию
со дня рождения отца-
Алексеева Петра Андреевича

Введение

Все должно быть изложено так просто,
как только возможно,
но не проще.
А. Эйнштейн

Современный период развития цивилизации характеризуется тем, что
человечество переходит от индустриального общества к информационному
обществу. Основным перерабатываемым «сырьём» становится информация.
Труд современников делается в меньшей степени физическим и в большей
степени интеллектуальным. В наиболее развитых странах производство ин-
формации и разработка информационных технологий стали одними из са-
мых прибыльных и стремительно растущих отраслей.
В мире накоплен громадный объем информации, но большинство лю-
дей не в состоянии в полном мере воспользоваться этим благом в силу огра-
ниченности своих психофизических возможностей и неумения применять
новые информационные технологии обработки информации. Самыми мощ-
ными усилителями интеллектуальных способностей человека за всю исто-
рию развития цивилизации становятся компьютер и глобальные сети, объ-
единяющие множество компьютеров.
Стремительное развитие прогресса в области создания программных и
аппаратных средств приводит к тому, что компьютеры и программы быстро
морально устаревают. Пользователь ещё не успевает освоить и половины
возможностей практически новой программы, а уже на рынке появляются её
следующие более совершенные модификации.
И все же в круговерти быстро меняющихся картин есть устойчивые
моменты, которые являются основой, фундаментом многих процессов,
трамплином, с помощью которого можно быстро достичь новых высот.
4 Введение
__________________________________________________________________________________

Неизменной является История. Исторический аспект каждого изу-
чаемого вопроса позволяет увидеть тенденцию развития, экстраполировать
(перенести) сегодняшнее положение дел на Будущее.
Основное внимание в книге автор уделил идеям и принципам — они
самые живучие в этом быстро меняющемся мире вычислительной техники.
Важными теоретическими аспектами информатики являются ариф-
метические и логические основы работы ЭВМ, алгебра логики, понятия о
системах счисления. На этих вопросах базируются многие разделы инфор-
матики (например, методы архивации, помехоустойчивого кодирования, QR-
коды, криптографиия, стеганография).
Обилие терминов (их англоязычная основа), неоднозначность их
трактовки приводит к тому, что пользователь, начинающий изучать инфор-
матику, теряется в джунглях туманных понятий. Автор стремился уделить
серьёзное внимание формулировке возможно точных определений (терми-
нологии).
При работе над книгой автор пытался из большого объёма информа-
ции по рассматриваемым вопросам отобрать самое главное, основное. Это
должно облегчить студентам сделать первый шаг в освоении бурно разви-
вающейся дисциплины.
Очевидно, что основным инструментом при изучении информатики
является вычислительная машина или устройство, содержащее процессор.
По этой причине значительное внимание в публикации уделяется конструк-
ции ЭВМ.
Рассматриваемый материал был многократно апробирован на лекци-
ях, семинарах, конференциях, лабораторных и практических занятиях, мно-
гочисленных курсах и в научно-исследовательских работах. Многие разделы
книги были опубликованы в научно-технических журналах. Книга четыреж-
ды переиздавалась в центральных издательствах [12, 28, 29, 30], рецензиро-
валась ведущими специалистами России, получено множество положитель-
ных отзывов.
Тем не менее, автор хорошо понимает, что досадные ошибки и неточ-
ности неизбежны в любой работе. Критические замечания и пожелания про-
сим направлять по адресам:

[email protected]
ICQ 52690147
Основные понятия об информации и информатике 5
__________________________________________________________________________________

1. Основные понятия

В данном разделе даны определения понятиям «информация», «ин-
форматика», «информационные технологии», рассмотрены этапы развития
вычислительной техники, сферы ее использования, отмечены основные вехи
создания Интернета.

1.1. Основные понятия об информации
и информатике

Два часа убито,
информации – полбита.

Информация наряду с материей и энергией является первичным поня-
тием нашего материального мира. Дать строгое исчерпывающее определе-
ние этому термину через другие, более простые понятия, сложно. Это поня-
тие остается одним из самых дискуссионных в науке. Тем не менее, сущест-
вует несколько определений понятия «информация». Приведем одно из них.
Информация — это совокупность каких-либо сведений, данных, пе-
редаваемых устно (в форме речи), письменно (в виде текста, таблиц, рисун-
ков, чертежей, схем, условных обозначений) либо другим способом (напри-
мер, с помощью звуковых или световых сигналов, электрических и нервных
импульсов, запахов, вкусовых ощущений, перепадов давления или темпера-
туры и т. д.).
В середине ХХ века термин «информация» стал общенаучным поня-
тием. Этот термин используется для описания процессов обмена сведениями
между людьми, человеком и автоматом (например, электронной вычисли-
тельной машиной), автоматом и автоматом. Обмен сигналами в животном и
растительном мире, передача наследственных признаков от клетки к клетке,
от организма к организму также описываются с помощью этого термина.
Теоретические и практические вопросы, относящиеся к информации,
изучает информатика.
Информатика — наука, изучающая структуру и свойства информа-
ции, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переда-
чей, преобразованием, распространением и использованием в различных
сферах человеческой деятельности.
Современная информатика коренным образом меняет не только сферу
материального производства, но и сферу духовной жизни.
6 Основные понятия об информации и информатике
__________________________________________________________________________________

Пристальное внимание к информатике связано с бурным ростом объ-
ема человеческих знаний, который порой называют «информационным
взрывом».
Колоссальный объем информации циркулирует и хранится в глобаль-
ной сети Интернет. Человечеством накоплен большой объем информации,
обработать которую отдельному человеку вручную затруднительно в силу
своих ограниченных психофизических возможностей. Эффективным инст-
рументом обработки большого объема информации является электронная

вычислительная машина (ЭВМ).
Различают две формы представления информации — непрерывную
(аналоговую) и прерывистую (цифровую, дискретную). Непрерывная форма
характеризует процесс, который не имеет перерывов и теоретически может
изменяться в любой момент времени и на любую величину (например, речь
человека, музыкальное произведение). Цифровой сигнал может изменяться
лишь в определенные моменты времени и принимать лишь заранее обуслов-
ленные значения (например, только значения напряжений 0 и 3,5 В). Момен-
ты возможного изменения уровня цифрового сигнала задает тактовый гене-
ратор конкретного цифрового устройства.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал требуется
провести дискретизацию непрерывного сигнала во времени, квантование по
уровню, а затем кодирование отобранных значений.
Дискретизация — замена непрерывного (аналогового) сигнала после-
довательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала [1].
На рисунке схематично показан процесс преобразования аналогового
сигнала в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в данном случае может при-
нимать лишь пять различных уровней. Естественно, что качество такого пре-
образования невысокое. Из рисунка видно, что изменение цифрового сигнала
возможно лишь в некоторые моменты времени (в данном случае этих момен-
тов одиннадцать).
Основные понятия об информации и информатике 7
__________________________________________________________________________________

После такого преобразования непрерывный сигнал представляют по-
следовательностью чисел. Показанный на рисунке непрерывный сигнал за-
меняется числами 2-3-4-4-4-3-2-2-3-4-4. Десятичная система счисления в рас-
сматриваемом примере использована лишь для большей наглядности. Фак-
тически аналоговый сигнал преобразуют в последовательность единиц и ну-
лей. Результаты данного преобразования можно представить таблицей:

Десятичные Двоичные
Время
числа числа
t 2 0010
1
t 3 0011
2
t 4 0100
3
t 4 0100
4
t 4 0100
5
t 3 0011
6
t 2 0010
7
t 2 0010
8
t 3 0011
9
t 4 0100
10
t 4 0100
11

Здесь цифровые сигналы представлены четырьмя разрядами двоичных
чисел. Очевидно, что, чем больше разрядов у двоичных чисел (то есть чем
больше число уровней квантования) и чем чаще во времени осуществляются
отсчеты (выборки), тем точнее будет преобразован непрерывный сигнал в
цифровой.
Образное представление о качестве оцифрованного сигнала дают ки-
нофильмы, снятые с разной скоростью. Первые немые фильмы были сняты с
частотой 16 кадров в секунду. Из-за низкой частоты съемки некоторые фазы
движения объектов терялись, и перемещение персонажей на экране станови-
лось комичным, дёрганным. Переход на частоту 24 кадров в секунду сняло
эту проблему, движение стало плавным.
8 Основные понятия об информации и информатике
__________________________________________________________________________________

Предыдущий рисунок показывает, как влияет частота дискретизации
аналого-цифрового преобразования на качество оцифрованного сигнала. В
нижней части диаграмм показан исходный аналоговый сигнал (синусоида
частотой 1 кГц). В верхней части рисунков изображен сигнал после двойного
преобразования при разных значениях частоты дискретизации. В данном
случае аналоговый сигнал был вначале преобразован в цифровой, а затем
цифровой сигнал обратно конвертирован в аналоговый. Рисунки отличаются
использованной частотой дискретизации. В первом случае частота дискрети-
зации составляла 8 кГц, во втором – 32 кГц. Из рисунка видно, что с ростом
частоты дискретизации качество преобразования улучшается. На качество
цифрового сигнала сильно влияет также его разрядность.
Первое представление об аналоговом и цифровом способах хранения
и распространения информации можно получить, рассматривая два способа
записи звуковых сигналов: аналоговую и цифровую аудиозаписи.
При аналоговой аудиозаписи непрерывный электрический сигнал,
формируемый источником звука на выходе микрофона, с помощью магнит-
ной головки наносится на движущуюся магнитную ленту. Недостатком ана-
логового способа обработки информации является то, что копия бывает все-
гда хуже оригинала.
При цифровой аудиозаписи используется процесс выборки, заклю-
чающийся в периодическом измерении уровня (громкости, амплитуды) ана-
логового звукового сигнала (например, поступающего с выхода микрофона)
и превращении полученного значения в последовательность двоичных чисел.
Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется специ-
альный конвертор, называемый аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).
Сигнал на выходе АЦП представляет собой последовательность двоичных
чисел, которая может быть обработана компьютером. Обратная конверсия
цифрового сигнала в непрерывный сигнал осуществляется с помощью циф-
роаналогового преобразователя (ЦАП).

Качество аналогово-цифрового преобразования характеризует пара-
метр, называемый разрешением. Разрешение — это количество уровней
квантования, используемых для замены непрерывного аналогового сигнала
цифровым сигналом. Восьмиразрядная выборка позволяет получить только
Основные понятия об информации и информатике 9
__________________________________________________________________________________

256 различных уровней квантования цифрового сигнала, а шестнадцатираз-
рядная выборка — 65 536 уровней.
Еще один показатель качества трансформации непрерывного сигнала
в цифровой сигнал — это частота дискретизации — количество преобразо-
ваний аналог-цифра (выборок), производимое устройством в одну секунду.
Этот показатель измеряют килогерцами (килогерц — тысяча выборок в се-
кунду). Типичное значение частоты дискретизации современных лазерных
(оптических) аудиодисков — 44,1
кГц.
На рисунке показана струк-
тура лазерного аудиодиска. Все
звуки преобразованы в последова-
тельность единиц и нулей, которые
на диске выглядят как выступы и
впадины. При этом копию можно
получить практически такого же
качества, как и оригинал.
С позиции каждого отдель-
ного человека количество инфор-
мации, содержащееся в каком-либо
сообщении, — субъективная величина.
Объективная количественная мера информации может быть введена
на основе вероятностной трактовки информационного обмена.
Этот способ измерения количества информации впервые предложил в
1948 г. К. Шеннон [2]. В соответствии с идеями К. Шеннона, информация —
это сведения, уменьшающие неопределенность (энтропию), существовавшую
до их получения.
Наименьшей единицей информации является бит (от англ. binary
digit — двоичный разряд). Сообщение о том, что произошло одно из двух
возможных равновероятных событий, дает получателю один бит информа-
ции.
Один бит информации получает человек, когда он узнает, опаздывает
с прибытием нужный ему поезд или нет, был ночью мороз или нет, присут-
ствует на лекции студент Иванов или нет и т. д.
Более крупная единица информации — байт — равна 8 бит. Проверка
присутствия или отсутствия на лекции 24 студентов дает лектору три байта
информации. Еще более крупная единица информации — 1 Кбайт — равна
1024 байтам. Далее — 1 Мбайт равен 1024 Кбайтам, 1 Гбайт равен
1024 Мбайтам, 1 Тбайт равен 1024 Гбайтам, а 1 Пбайт равен 1024 Тбайт.
Перечисленные единицы измерения информации произносятся так:
Кбайт — килобайт, Мбайт — мегабайт, Гбайт — гигабайт, Тбайт —
терабайт, Пбайт — петабайт.
10 Основные понятия теории информации
__________________________________________________________________________________
1.2. Основные понятия теории информации

Знаки несут информацию только
для получателя, способного их распознать.

Теория информации – раздел математики, исследующий процесс хра-
нения, преобразования и передачи информации. Теория информации базиру-
ется на фундаментальной работе американского инженера и математика
Клода Элвуда Шеннона [2], и она тесно сопряжена со статистической теори-
ей связи.
Согласно теории информации, количество полученных сведений сле-
дует рассматривать с учетом понятия неопределенности состояния системы,
например, неопределенность состояния системы связи. Вместо термина «не-
определенность состояния системы» часто используют эквивалентный тер-
мин - «энтропия системы».
Под неопределенностью состояния системы связи понимается тот
факт, что на приемной стороне получатель информации не знает, какое со-
общение пошлет отправитель информации, который находится на передаю-
щей стороне системы связи. Лишь после приема сообщения (букв, цифр,
символов, звуков, изображения и т.д.) у получателя уменьшается неосведом-
ленность относительно содержания передаваемого сообщения. Иначе гово-
рят: полученная информация уменьшает энтропию системы.
Рассмотрим основные понятия, которые используются в теории ин-
формации [1].
Сообщение – это совокупность знаков или первичных сигналов, ото-
бражающих ту или иную информацию. Например, текст электронного пись-
ма представляет собой совокупность таких знаков, как буквы, цифры, знаки
препинания, специальные символы. Примерами сообщений являются: текст
телеграммы, текст электронного письма, SMS, MMS данные на выходе ЭВМ,
речь, музыка, рисунок, фотография, запись в блоге и т.п.
Передача сообщений на расстояние осуществляется с помощью како-
го-либо материального носителя (бумаги, магнитных дисков, микросхем па-
мяти и т.п.) или физического процесса (звуковых, световых или электромаг-
нитных волн и т.п.). Таким образом, информация передается путем обмена
между отправителем и получателем материей (бумага, фотоплёнка, лента)
или энергией (электромагнитные волны). Физический процесс, несущий пе-
редаваемое сообщение, называется сигналом.
Сообщения могут быть функциями времени (информация представля-
ется в виде первичных сигналов, которыми являются: музыка, речь, видео-
изображение, показания датчиков). Сообщения могут не являться функциями