Велика бібліотека української літератури
» » » Информатика как единство науки и технологии

Рефераты по информатике Информатика – отнюдь не только «чистая наука». У нее, безусловно, имеется научное яд-ро, но важная особенность информатики – широчайшие приложения,

Информатика как единство науки и технологии

Информатика – отнюдь не только «чистая наука». У нее, безусловно, имеется научное яд-ро, но важная особенность информатики – широчайшие приложения, охватывающие почти все виды человеческой деятельности: производство, управление, науку, образование, проектные разработки, торговлю, финансовую сферу, медицину, криминалистику, охрану окружающей среды и др. И, может быть, главное из них – совершенствование социального управления на основе новых информационных технологий.
Как наука, информатика изучает общие закономерности, свойственные информационным процессам (в самом широком смысле этого понятия). Когда разрабатываются новые носители информации, каналы связи, приемы кодирования, визуального отображения информации и многое другое, конкретная природа этой информации почти не имеет значения. Для разработ-чика системы управления базами данных важны общие принципы организации и эффектив-ность поиска данных, а не то, какие конкретно данные будут затем заложены в базу многочис-ленными пользователями. Эти общие закономерности есть предмет информатики как науки.
Объектом приложений информатики являются самые различные науки и области практической деятельности, для которых она стала непрерывным источником самых современных технологий, называемых часто «новые информационные технологии». Многообразные информационные технологии, функционирующие в разных видах человеческой деятельности (управлении производственным процессом, проектировании, финансовых операциях, образовании и т.п.), имея общие черты, в то же время существенно различаются между собой.
Перечислим наиболее впечатляющие реализации информационных технологий.
АСУ – автоматизированные системы управления – комплекс технических и программных средств, которые во взаимодействии с человеком организуют управление объектами в производстве или общественной сфере. Например, в образовании используются системы АСУ–ВУЗ.
АСУТП – автоматизированные системы управления технологическими процессами. На-пример, такая система управляет работой станка с числовым программным управлением (ЧПУ), процессом запуска космического аппарата и т.д.
АСНИ – автоматизированная система научных исследований – программно-аппаратный комплекс, в котором научные приборы сопряжены с компьютером, вводят в него данные изме-рений автоматически, а компьютер производит обработку этих данных и представление их в наиболее удобной для исследователя форме.
АОС – автоматизированная обучающая система. Есть системы, помогающие учащимся осваивать новый материал, производящие контроль знаний, помогающие преподавателям гото-вить учебные материалы и т.д.
САПР – система автоматизированного проектирования – программно-аппаратный ком-плекс, который во взаимодействии с человеком (конструктором, инженером-проектировщиком, архитектором и т.д.) позволяет максимально эффективно проектировать механизмы, здания, узлы сложных агрегатов и др.
Следует упомянуть также диагностические системы в медицине, системы организации продажи билетов, системы ведения бухгалтерско-финансовой деятельности, системы обеспече-ния редакционно-издательской деятельности – спектр применения информационных техноло-гий чрезвычайно широк.
С развитием информатики возникает вопрос о ее взаимосвязи и разграничении с кибернетикой. При этом требуется уточнение предмета кибернетики, более строгое его толкование. Информатика и кибернетика имеют много общего, основанного на концепции управления, но имеют и объективные различия. Один из подходов разграничения информатики и кибернетики – отнесение к области информатики исследований информационных технологий не в любых кибернетических системах (биологических, технических и т.д.), а только в социальных системах. В то время как за кибернетикой сохраняются исследования общих законов движения информации в произвольных системах, информатика, опираясь на этот теоретический фундамент, изучает конкретные способы и приемы переработки, передачи, использования информации. Впрочем, многим современным ученым такое разделение представляется искусственным, и они просто считают кибернетику одной из составных частей информатики.
1.2 ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАТИКИ
Информатика – молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сфе-рах человеческой деятельности. Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.
До настоящего времени толкование термина «информатика» (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) еще не является установившимся и общепринятым. Обратимся к истории вопроса, восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.
После второй мировой войны возникла и начала бурно развиваться кибернетика как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных. Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием в 1948 г. американским математиком Норбертом Винером ставшей знаменитой книги «Кибернетика или управление и связь в животном и машине». В этой работе были показаны пути создания общей теории управления и заложены основы методов рассмотрения проблем управления и связи для различных систем с единой точки зрения. Развиваясь одновременно с развитием электронно-вычисли¬тельных машин, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации. Под информацией в кибернетике пони-мается любая совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторой системой воспринимаются от окружающей среды (входная информация X), выдаются в окружающую среду (выходная информация Y), а также хранятся в себе (внутренняя, внутрисистемная информация Z), рис. 1.1.
Развитие кибернетики в нашей стране встретило идеологические препятствия. Как писал академик А.И.Берг, «... в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб разви-тию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин». Достаточно сказать, что еще в философском словаре 1959г. издания кибернетика характеризовалась как «буржуазная лженаука». Причиной этому послу-жили, с одной стороны, недооценка новой бурно развивающейся науки отдельными учеными «классического» направления, с другой – неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфан-тастических прогнозах о безграничных возможностях кибернетики, дискредитируя тем самым эту науку.
Дело к тому же осложнялось тем, что развитие отечественной кибернетики на протяжении многих лет сопровождалось серьезными трудностями в реализации крупных государственных проектов, например, создания автоматизированных систем управления. Однако за это время удалось накопить значительный опыт создания информационных систем и систем управления технико-экономическими объектами. Требовалось выделить из кибернетики здоровое научное и техническое ядро и консолидировать силы для развития нового движения к давно уже стоящим глобальным целям.
Подойдем сейчас к этому вопросу с терминологической точки зрения. Вскоре вслед за по-явлением термина «кибернетика» в мировой науке стало использоваться англоязычное «Computer Science», а чуть позже, на рубеже шестидесятых и семидесятых годов, французы ввели получивший сейчас широкое распространение термин «Informatique». В русском языке раннее употребление термина «информатика» связано с узко конкретной областью изучения структуры и общих свойств научной информации, передаваемой посредством научной литера-туры. Эта информационно-аналитическая деятельность, совершенно необходимая и сегодня в библиотечном деле, книгоиздании и т.д., уже давно не отражает современного понимания ин-форматики. Как отмечал академик А.П.Ершов, в современных условиях термин информатика «вводится в русский язык в новом и куда более широком значении – как название фундамен-тальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании информатика оказывается более непосредственно связанной с философскими и общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу "традиционных" академических научных дисциплин».
Попытку определить, что же такое современная информатика, сделал в 1978г. Междуна-родный конгресс по информатике: «Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, орга-низационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного и социального воздействия».
2.
2.1 СТРУКТУРА СОВРЕМЕННОЙ ИНФОРМАТИКИ
Оставляя в стороне прикладные информационные технологии, опишем составные части «ядра» современной информатики. Каждая из этих частей может рассматриваться как относи-тельно самостоятельная научная дисциплина; взаимоотношения между ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и математическим анализом в классической математике – все они хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, части одной науки.
Теоретическая информатика – часть информатики, включающая ряд математических разделов. Она опирается на математическую логику и включает такие разделы, как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и другие. Этот раздел информатики использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации.
Вычислительная техника – раздел, в котором разрабатываются общие принципы по-строения вычислительных систем. Речь идет не о технических деталях и электронных схемах (это лежит за пределами информатики как таковой), а о принципиальных решениях на уровне так называемой архитектуры вычислительных (компьютерных) систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классическими решений в этой области – неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной (многопроцессорной) обработки информации.
Программирование – деятельность, связанная с разработкой систем программного обес-печения. Здесь отметим лишь основные разделы современного программирования: создание системного программного обеспечения и создание прикладного программного обеспечения. Среди системного – разработка новых языков программирования и компиляторов к ним, разра-ботка интерфейсных систем (пример – общеизвестная операционная оболочка и система Win-dows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные – системы обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управле-ния базами данных. В каждой области предметных приложений информатики существует мно-жество специализированных прикладных программ более узкого назначения.
Информационные системы – раздел информатики, связанный с решением вопросов по анализу потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения и поиска информации. Информационно-справочные системы, информационно-поисковые системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации (включая широко известный Internet) привлекают внимание все большего круга пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться. Известным примером решения проблемы на глобальном уровне может служить гипертекстовая поисковая система WWW, а на значительно более низком уровне – справочная система, к услугам которой мы прибегаем, набрав телефонный номер 09.
Искусственный интеллект – область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Как научить компьютер мыслить подобно человеку? Поскольку мы далеко не все зна-ем о том, как мыслит человек, исследова¬ния по искусственному интеллекту, несмотря на полу-вековую историю, все еще не привели к решению ряда принципиальных проблем. Основные направления разработок, относящихся к этой области, – моделирование рассуждений, компью-терная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознавание образов и другие. От успехов работ в области искусственного интеллекта зависит, в частности, решение такой важнейшей прикладной проблемы, как создание интеллектуальных интерфейсных систем взаимодействия человека с компьютером, благодаря которым это взаимодействие будет походить на межчеловеческое и станет более эффективным.
2.2 МЕСТО ИНФОРМАТИКИ В СИСТЕМЕ НАУК
Рассмотрим место науки информатики в традиционно сложившейся системе наук (техни-ческих, естественных, гуманитарных и т.д.). В частности, это позволило бы найти место обще-образовательного курса информатики в ряду других учебных предметов.
Напомним, что по определению А.П.Ершова информатика – «фундаментальная естест-венная наука». Академик Б.Н.Наумов определял информатику «как естественную науку, изу-чающую общие свойства информации, процессы, методы и средства ее обработки (сбор, хране-ние, преобразование, перемещение, выдача)».
Уточним, что такое фундаментальная наука и что такое естественная наука. К фунда-ментальным принято относить те науки, основные понятия которых носят общенаучный харак-тер, используются во многих других науках и видах деятельности. Нет, например, сомнений в фундаментальности столь разных наук как математика и философия. В этом же ряду и инфор-матика, так как понятия «информация», «процессы обработки информации» несомненно имеют общенаучную значимость. Естественные науки – физика, химия, биология и другие – имеют дело с объективными сущностями мира, существующими независимо от нашего сознания. Отнесение к ним информатики отражает единство законов обработки информации в системах самой разной природы – искусственных, биологических, общественных.
Однако многие ученые подчеркивают, что информатика имеет характерные черты и дру-гих групп наук – технических и гуманитарных (или общественных).
Черты технической науки придают информатике ее аспекты, связанные с созданием и функционированием машинных систем обработки информации. Так, академик А.А.Дородницын определяет состав информатики как «три неразрывно и существенно связан-ные части: технические средства, программные и алгоритмические». Первоначальное наимено-вании школьного предмета «Основы информатики и вычислительной техники» в настоящее время изменено на «Информатика» (включающее в себя разделы, связанные с изучением тех-нических, программных и алгоритмических средств). Науке информатике присущи и некоторые черты гуманитарной (общественной) науки, что обусловлено ее вкладом в развитие и совершенствование социальной сферы. Таким образом, информатика является комплексной, междисциплинарной отраслью научного знания.
4
4.1 Формы представления, методы оценки и способы передачи информации
Анализируя информацию, мы сталкиваемся с необходимостью оценки качества и определения количества получения информации. При оценке информации различают три аспекта: синтаксический, семантический и прагматический.
Синтаксический аспект связан со способом представления информации вне зависимости от ее смысловых и потребительских качеств и рассматривает формы представления информации для ее передачи и хранения (в виде знаков и символов). Этот аспект необходим для измерения информации. Информацию, рассматриваемую только в синтаксическом аспекте, называют данными.
Семантический аспект передает смысловое содержание информации и соотносит ее с ранее имевшейся информацией (рис. 2).
Рис. 2. График семантической меры: SП – тезаурусная мера получателя; Ic – семантическое количество информации
Прагматический аспект передает возможность достижения цели с учетом полученной информации.
где Р0 – вероятность достижения цели до получения информации; Р1 – вероятность достижения цели после получения информации; IП – прагматическое количество информации.
Определить качество информации чрезвычайно сложно, а часто и вообще невозможно. Какие-либо сведения, например исторические, могут десятилетиями считаться ненужными, но при наступлении какого-то события их ценность может резко возрасти. Определить количество информации не только нужно, но и можно. Это прежде всего необходимо для того, чтобы сравнить друг с другом массивы информации, определить, какие размеры должны иметь материальные объекты (бумага, магнитная лента и т. д.), хранящие эту информацию.
Можно выделить три основные характеристики, используемые для измерения количества и качества передачи и приема информации:
1. Частотный диапазон – чем выше частота, тем больше информации можно передать в единицу информации (рентгеновское излучение несет больше информации, чем метровый диапазон).
2. Динамический диапазон – чем шире диапазон частот, тем больше информации можно пропустить в единицу времени.
3. Уровень шума – чем меньше помех, тем больше информации можно передать без ее искажения.
Для определения количества информации необходимо найти способ представить любую ее форму (символьную, текстовую, графическую) в едином виде. Рассмотрим некоторые критерии применительно к наиболее распространенным формам информации.
Звуки. Для звуковых колебаний совпадение формы сигнала на передаче и приеме не является обязательным. Здесь важно сохранение соотношений между амплитудами частотных компонентов, из которых состоит звук.
Частотный диапазон:
– 16–20 000 Гц – различает высококлассный музыкант;
– 30–15 000 Гц – отличное (50–10 000 Гц – хорошее) воспроизведение музыки;
– 300—3400 Гц – отличное качество связи для разговора по телефону.
Динамический диапазон – логарифм отношения максимального значения средней мощности звука к средней мощности наиболее слабых звуков. Соотношение между звуками различной интенсивности измеряется в логарифмических единицах, так как человеческое ухо сравнивает не абсолютное, а относительное изменение мощности звука. Сравнивая между собой интенсивности воздействия двух звуковых колебаний, имеющих соответственно мощности Р1 (максимальное значение средней мощности звука) и Р2 (средняя мощность наиболее слабых звуков), пользуются выражениями:
Например, динамический диапазон телефонной речи составляет 43 дБ; оркестра – 56 дБ; истребителя и рок-группы – 120 дБ. Уровень шума при телефонной связи должен быть не менее чем на 34 дБ ниже средней мощности полезного сигнала. Допустимая величина помехи при музыкальной передаче должна быть снижена еще больше – до 44–47 дБ.
Изображения. Чтобы передать с помощью электромагнитных волн некоторое изображение, необходимо каждый элемент этого изображения один за другим превратить в последовательность сигналов.
Частотный диапазон можно определить, если задаться временем, за которое мы хотим передать изображение с необходимым нам качеством. Проиллюстрируем это на примере передачи фототелеграммы с помощью телеграфа. Пусть самая маленькая точка на фототелеграмме будет равна 0,25 мм, т. е. разрешающая способность составляет 4 линии на 1 мм. Тогда на стандартном листе бумаги (формат А4) размером 210 х 300 мм можно разместить: 1 мм х 1 мм = 4 х 4 = 16 точек; 210 х 300 х 16 >> 1 000 000 точек. Передавая телеграмму за 3 мин (180 с) и учитывая, что наибольшая частота сигнала возникает при последовательном чередовании самых маленьких (элементарных) белых и темных точек, получим предельную частоту (1 000 000: 180): 2 = 2780 Гц. Двойка в делителе означает, что период предельной частоты равен времени прохождения лучом двух соседних точек – светлой и темной. Самая низкая частота возникает в случае, если на фототелеграмме изображен простейший рисунок – одна половина листа белая, а другая – черная. В результате период наименьшей частоты равен времени прохождения лучом одной строки целиком. Эта наименьшая частота равна числу строк (300 х 4 = 1200), деленному на время передачи листа (180 с), т. е. 6,7 Гц.
В отличие от фототелеграфа, телевидение передает подвижные изображения и смена кадров здесь осуществляется 50 раз в секунду. Если считать, что каждый кадр телевизионного изображения – это своеобразная фототелеграмма, легко вычислить частотный диапазон телевизионного изображения. Согласно одному из стандартов, телевизионное изображение имеет 625 горизонтальных строк и размер кадра по высоте относится к размеру по ширине как 3: 4. Если каждую элементарную точку считать квадратной, то общее их число составит 625 х 625 х 3 /4 = 52 х 104 . Учитывая, что число кадров в секунду равно 50 и что наивысшая частота определяется чередованием черных и светлых элементарных точек, предельная частота окажется равной 52 х 104 х 50 /2 – 13 х 106 Гц. Чтобы уменьшить эту весьма большую частоту, в каждом кадре передается только половина строк. Из-за инерции нашего зрения для глаза это оказывается незаметным, зато предельная частота уменьшается вдвое. Самая низкая частота, необходимая для передачи телевизионного изображения, – это частота смены кадров, равная 50 Гц. Таким образом, для передачи телевизионного изображения требуется диапазон частот от 50 Гц до 6,5 МГц.
Динамический диапазон как в фототелеграфном, так и в телевизионном изображении почти одинаков. На экране телевизора различимы 8—10 четко разделенных градаций яркости. Установлено, что человеческий глаз различает изменения яркости, если интенсивность света двух соседних ступенек различается примерно в два раза (что в логарифмическом отсчете соответствует 3 дБ). Отсюда при 8—10 градациях динамический диапазон телевизионного изображения составит 24–30 дБ. Для хорошего качества принимаемого телевизионного изображения уровень помех должен быть меньше уровня сигнала по крайней мере на 40 дБ.
Передача данных – это частный случай информации, которую принято называть дискретной. Дискретная информация в конечном счете также является цифровой, однако может иметь большее разнообразие форм записи и методов передачи.
Рассмотрим взаимосвязь между характеристиками «частотный диапазон» и «скорость передачи данных». В теории электрической связи установлены закономерности, связывающие между собой длительность импульса тока во времени и спектральный состав этого импульса. Теоретически спектр частот импульса, имеющего конечную протяженность во времени t с, бесконечен. Однако практически основная энергия спектральных компонентов сосредоточена в диапазоне частот, не превышающих значение 1/t Гц. Но 1/t – это скорость передачи бинарной информации, исчисляемая количеством бит в секунду. Таким образом, на каждый бит в секунду требуется полоса в 1 Гц.
Теперь рассмотрим динамический диапазон. При передаче бинарной информации средняя мощность сигнала неизменна. Следовательно, нет перепада уровней. Соотношение сигнал/помеха зависит от требуемой верности приема. Если при передаче бинарных сигналов допустить возможность в среднем одной ошибки на 105 бит, то при так называемом тепловом шуме соотношение сигнал/помеха должно составлять 18,8 дБ, а при одной ошибке на 106 бит – 19,7 дБ. При импульсных помехах это соотношение зависит от частоты появления импульсов, их амплитуды и других параметров и должно подсчитываться отдельно для каждого случая.
Аналоговый сигнал может быть охарактеризован тремя основными параметрами: частотным и динамическим диапазонами, соотношением «сигнал/помеха». Для дискретных сигналов достаточно ограничиться двумя параметрами: диапазоном частот, который можно заменить скоростью передачи двоичных сигналов, и соотношением «сигнал/помеха», оценку которого удобно заменить допустимой ошибкой в приеме двоичного сигнала.
Количество и качество информации. Для определения количества информации, содержащейся в сигналах, которые циркулируют в системах управления, необходимо использовать знания из теории информации и теории вероятностей.
Под информацией, согласно теории передачи сообщений, разработанной К.Шенноном, необходимо понимать устраненную неопределенность в знаниях о сигнале. В качестве оценок степени неопределенности знаний существуют следующие меры:
– синтаксическая – связанная с неопределенностью, с которой можно судить о сигнале до его приема;
– структурная, или логарифмическая, – характеризующая информацию по объему (мера Хартли);
– вероятностная, или статистическая, – характеризующая информацию по объему и новизне (мера Шеннона).
Для систем управления мера Хартли наиболее приемлема, так как она позволяет оценить объемы циркулирующей информации и памяти, необходимой для ее хранения. В качестве меры неопределенности (энтропии) в описании сигнала до его приема принята логарифмическая мера (здесь и далее примем основание логарифма, равное двум, тогда количество информации будет измеряться в битах):
Если до получения информации о сигнале вероятность появления отдельных сообщений для наблюдателя равна:
то в этом случае источник дискретных сообщений выдает максимальное количество информации:
Количество информации, выдаваемой источником непрерывных сигналов, определяют исходя из погрешности квантования:
где δ – относительная погрешность квантования по уровню; т – число уровней.
В 1948 году американский инженер и математик К.Шеннон предложил формулу вычисления количества информации для событий с различными вероятностями:
где Н – количество информации; Р – количество возможных событий; xi – вероятности отдельных событий; i принимает значения от 1 до К.
5
Виды информации. Аналоговая и цифровая информация
Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки делают это по-разному. Каждая наука, занимающаяся вопросами, связанными с информацией, вводит свою систему классификации.
Для информатики самым главным вопросом является то, каким образом используются средства вычислительной техники для создания, хранения, обработки и передачи информации, поэтому у информатики особый подход к классификации информации. В информатике отдельно рассматривают аналоговую информацию и цифровую . Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном работает с цифровой информацией.
Человек так устроен, что воспринимает информацию с помощью органов чувств.
Свет, звук и тепло — это энергетические сигналы, а вкус и запах — это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Мы не найдем двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и не услышим двух абсолютно одинаковых звуков — это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам — ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.
Музыка, когда мы ее слышим, несет аналоговую информацию, но стоит только записать ее нотами, как она становится цифровой.

Разница между аналоговой информацией и цифровой прежде всего в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая — дискретна. Если у художника в палитре только одна зеленая краска, то непрерывную бесконечность зеленых цветов листьев он передаст очень грубо и все деревья на картине будут иметь одинаковый цвет. Если у художника три разные зеленые краски, то передача цвета уже будет чуть более точной. Для большей точности передачи аналоговой информации о живой природе художники смешивают разные краски и получают большое количество оттенков.
Таким образом, классификацию видов информатики можно представить в виде следующей схемы:
5.2
Процессы, связанные с поиском, хранением, передачей, обработкой и использованием информации, называются информационными процессами.
Теперь остановимся на основных информационных процессах.
1. Поиск.
Поиск информации - это извлечение хранимой информации.
Методы поиска информации:
· непосредственное наблюдение;
·общение со специалистами по интересующему вас вопросу;
·чтение соответствующей литературы;
·просмотр видео, телепрограмм;
·прослушивание радиопередач, аудиокассет;
· работа в библиотеках и архивах;
·запрос к информационным системам, базам и банкам компьютерных данных;
· другие методы.
Понять, что искать, столкнувшись с той или иной жизненной ситуацией, осуществить процесс поиска - вот умения, которые становятся решающими на пороге третьего тысячелетия.
2. Сбор и хранение.
Сбор информации не является самоцелью. Чтобы полученная информация могла использоваться, причем многократно, необходимо ее хранить.
Хранение информации - это способ распространения информации в пространстве и времени.
Способ хранения информации зависит от ее носителя (книга- библиотека, картина- музей, фотография- альбом).
ЭВМ предназначен для компактного хранения информации с возможностью быстрого доступа к ней.
Информационная система - это хранилище информации, снабженное процедурами ввода, поиска и размещения и выдачи информации. Наличие таких процедур- главная особенность информационных систем, отличающих их от простых скоплений информационных материалов. Например, личная библиотека, в которой может ориентироваться только ее владелец, информационной системой не является. В публичных же библиотеках порядок размещения книг всегда строго определенный. Благодаря ему поиск и выдача книг, а также размещение новых поступлений представляет собой стандартные, формализованные процедуры.
3. Передача.
В процессе передачи информации обязательно участвуют источник и приемник информации: первый передает информацию, второй ее получает. Между ними действует канал передачи информации - канал связи.
Канал связи - совокупность технических устройств, обеспечивающих передачу сигнала от источника к получателю.
Кодирующее устройство - устройство, предназначенное для преобразования исходного сообщения источника к виду, удобному для передачи.
Декодирующее устройство - устройство для преобразования кодированного сообщения в исходное.
Деятельность людей всегда связана с передачей информации.
В процессе передачи информация может теряться и искажаться: искажение звука в телефоне, атмосферные помехи в радио, искажение или затемнение изображения в телевидении, ошибки при передачи в телеграфе. Эти помехи, или, как их называют специалисты, шумы, искажают информацию. К счастью, существует наука, разрабатывающая способы защиты информации - криптология.
Каналы передачи сообщений характеризуются пропускной способностью и помехозащищенностью.
Каналы передачи данных делятся на симплексные (с передачей информации только в одну сторону (телевидение)) и дуплексные (по которым возможно передавать информацию в оба направления (телефон, телеграф)). По каналу могут одновременно передаваться несколько сообщений. Каждое из этих сообщений выделяется (отделяется от других) с помощью специальных фильтров. Например, возможна фильтрация по частоте передаваемых сообщений, как это делается в радиоканалах.
Пропускная способность канала определяется максимальным количеством символов, передаваемых ему в отсутствии помех. Эта характеристика зависит от физических свойств канала.
Для повышения помехозащищенности канала используются специальные методы передачи сообщений, уменьшающие влияние шумов. Например, вводят лишние символы. Эти символы не несут действительного содержания, но используются для контроля правильности сообщения при получении.
С точки зрения теории информации все то, что делает литературный язык красочным, гибким, богатым оттенками, многоплановым, многозначным,- избыточность. Например, как избыточно с таких позиций письмо Татьяны к Онегину. Сколько в нем информационных излишеств для краткого и всем понятного сообщения "Я Вас люблю!"
4. Обработка.
Обработка информации - преобразование информации из одного вида в другой, осуществляемое по строгим формальным правилам.
Примеры обработки информации
Примеры Входная информация Выходная информация Правило
Таблица умножения Множители Произведение Правила арифметики
Определение времени полета рейса "Москва-Ялта" Время вылета из Москвы и время прилета в Ялту Время в пути Математическая формула
Отгадывание слова в игре "Поле чудес" Количество букв в слове и тема Отгаданное слово Формально не определено
Получение секретных сведений Шифровка от резидента Дешифрованный текст Свое в каждом конкретном случае
Постановка диагноза болезни Жалобы пациента + результаты анализов Диагноз Знание + опыт врача
Обработка информации по принципу "черного ящика" - процесс, в котором пользователю важна и необходима лишь входная и выходная информация, но правила, по которым происходит преобразование, его не интересуют и не принимаются во внимание.
"Черный ящик" - это система, в которой внешнему наблюдателю доступны лишь информация на входе и на выходе этой системы, а строение и внутренние процессы неизвестны.
5. Использование.
Информация используется при принятии решений.
· Достоверность, полнота, объективность полученной информации обеспечат вам возможность принять правильное решение.
· Ваша способность ясно и доступно излагать информацию пригодится в общении с окружающими.
· Умение общаться, то есть обмениваться информацией, становится одним главных умений человека в современном мире.
Компьютерная грамотность предполагает:
· знание назначения и пользовательских характеристик основных устройств компьютера;
· Знание основных видов программного обеспечения и типов пользовательских интерфейсов;
· умение производить поиск, хранение, обработку текстовой, графической, числовой информации с помощью соответствующего программного обеспечения.
Информационная культура пользователя включает в себя:
· понимание закономерностей информационных процессов;
· знание основ компьютерной грамотности;
· технические навыки взаимодействия с компьютером;
· эффективное применение компьютера как инструмента;
· привычку своевременно обращаться к компьютеру при решении задач из любой области, основанную на владении компьютерными технологиями;
· применение полученной информации в практической деятельности.
6. Защита.
Защитой информации называется предотвращение:
·доступа к информации лицам, не имеющим соответствующего разрешения (несанкционированный, нелегальный доступ);
· непредумышленного или недозволенного использования, изменения или разрушения информации.
Более подробно о защите информации мы остановимся далее.

Под защитой информации, в более широком смысле, понимают комплекс организационных, правовых и технических мер по предотвращению угроз информационной безопасности и устранению их последствий.
6.
Современный компьютер может обрабатывать числовую, текстовую, графическую, звуковую и видео информацию. Все эти виды информации в компьютере представлены в двоичном коде, т. е. используется алфавит мощностью два (всего два символа 0 и 1). Связано это с тем, что удобно представлять информацию в виде последовательности электрических импульсов: импульс отсутствует (0), импульс есть (1). Такое кодирование принято называть двоичным, а сами логические последовательности нулей и единиц - машинным языком.
Вид информации Двоичный код
Числовая 10110011
Текстовая
Графическая
Звуковая
Видео
Каждая цифра машинного двоичного кода несет количество информации равное одному биту.
Данный вывод можно сделать, рассматривая цифры машинного алфавита, как равновероятные события. При записи двоичной цифры можно реализовать выбор только одного из двух возможных состояний, а, значит, она несет количество информации равное 1 бит. Следовательно, две цифры несут информацию 2 бита, четыре разряда --4 бита и т. д. Чтобы определить количество информации в битах, достаточно определить количество цифр в двоичном машинном коде.
Кодирование текстовой информации
В настоящее время большая часть пользователей при помощи компьютера обрабатывает текстовую информацию, которая состоит из символов: букв, цифр, знаков препинания и др.
Традиционно для того чтобы закодировать один символ используют количество информации равное 1 байту, т. е. I = 1 байт = 8 бит. При помощи формулы, которая связывает между собой количество возможных событий К и количество информации I, можно вычислить сколько различных символов можно закодировать (считая, что символы - это возможные события):
К = 2I = 28 = 256,
т. е. для представления текстовой информации можно использовать алфавит мощностью 256 символов.
Суть кодирования заключается в том, что каждому символу ставят в соответствие двоичный код от 00000000 до 11111111 или соответствующий ему десятичный код от 0 до 255.
Необходимо помнить, что в настоящее время для кодировки русских букв используют пять различных кодовых таблиц (КОИ - 8, СР1251, СР866, Мас, ISO), причем тексты, закодированные при помощи одной таблицы не будут правильно отображаться в другой кодировке. Наглядно это можно представить в виде фрагмента объединенной таблицы кодировки символов.
Одному и тому же двоичному коду ставится в соответствие различные символы.
Двоичный код Десятичный код КОИ8 СР1251 СР866 Мас ISO
11000010 194 б В - - Т
Впрочем, в большинстве случаев о перекодировке текстовых документов заботится на пользователь, а специальные программы - конверторы, которые встроены в приложения.
Начиная с 1997 г. последние версии Microsoft Windows&Office поддерживают новую кодировку Unicode, которая на каждый символ отводит по 2 байта, а, поэтому, можно закодировать не 256 символов, а 65536 различных символов.
Чтобы определить числовой код символа можно или воспользоваться кодовой таблицей, или, работая в текстовом редакторе Word 6.0 / 95. Для этого в меню нужно выбрать пункт "Вставка" - "Символ", после чего на экране появляется диалоговая панель Символ. В диалоговом окне появляется таблица символов для выбранного шрифта. Символы в этой таблице располагаются построчно, последовательно слева направо, начиная с символа Пробел (левый верхний угол) и, кончая, буквой "я" (правый нижний угол).
Для определения числового кода символа в кодировке Windows (СР1251) нужно при помощи мыши или клавиш управления курсором выбрать нужный символ, затем щелкнуть по кнопке Клавиша. После этого на экране появляется диалоговая панель Настройка, в которой в нижнем левом углу содержится десятичный числовой код выбранного символа.
Задачи.

1. Два текста содержат одинаковое количество символов. Первый текст записан на русском языке, а второй на языке племени нагури, алфавит которого состоит из 16 символов. Чей текст несет большее количество информации?
Решение.

I = К * а (информационный объем текста равен произведению числа символов на информационный вес одного символа).
Т.к. оба текста имеют одинаковое число символов (К), то разница зависит от информативности одного символа алфавита (а).
2а1 = 32, т.е. а1 = 5 бит,
2а2 = 16, т.е. а2 = 4 бит.
I1 = К * 5 бит, I2 = К * 4 бит.
Значит, текст, записанный на русском языке в 5/4 раза несет больше информации.

2. Объем сообщения, содержащего 2048 символов, составил 1/512 часть Мбайта. Определить мощность алфавита.
Решение.

I = 1/512 * 1024 * 1024 * 8 = 16384 бит. - перевели в биты информационный объем сообщения.
а = I / К = 16384 /1024 =16 бит - приходится на один символ алфавита.
216 = 65536 символов - мощность использованного алфавита.
Именно такой алфавит используется в кодировке Unicode, который должен стать международным стандартом для представления символьной информации в компьютере.
Кодирование графической информации
В середине 50-х годов для больших ЭВМ, которые применялись в научных и военных исследованиях, впервые в графическом виде было реализовано представление данных. В настоящее время широко используются технологии обработки графической информации с помощью ПК. Графический интерфейс пользователя стал стандартом "де-факто" для ПО разных классов, начиная с операционных систем. Вероятно, это связано со свойством человеческой психики: наглядность способствует более быстрому пониманию. Широкое применение получила специальная область информатики, которая изучает методы и средства создания и обработки изображений с помощью программно-аппаратных вычислительных комплексов, - компьютерная графика. Без нее трудно представить уже не только компьютерный, но и вполне материальный мир, так как визуализация данных применяется во многих сферах человеческой деятельности. В качестве примера можно привести опытно-конструкторские разработки, медицину (компьютерная томография), научные исследования и др.
Особенно интенсивно технология обработки графической информации с помощью компьютера стала развиваться в 80-х годах. Графическую информацию можно представлять в двух формах: аналоговой или дискретной. Живописное полотно, цвет которого изменяется непрерывно - это пример аналогового представления, а изображение, напечатанное при помощи струйного принтера и состоящее из отдельных точек разного цвета - это дискретное представление. Путем разбиения графического изображения (дискредитации) происходит преобразование графической информации из аналоговой формы в дискретную. При этом производится кодирование - присвоение каждому элементу конкретного значения в форме кода. При кодировании изображения происходит его пространственная дискредитация. Ее можно сравнить с построением изображения из большого количества маленьких цветных фрагментов (метод мозаики). Все изображение разбивается на отдельные точки, каждому элементу ставится в соответствие код его цвета. При этом качество кодирования будет зависеть от следующих параметров: размера точки и количества используемых цветов. Чем меньше размер точки, а, значит, изображение составляется из большего количества точек, тем выше качество кодирования. Чем большее количество цветов используется (т. е. точка изображения может принимать больше возможных состояний), тем больше информации несет каждая точка, а, значит, увеличивается качество кодирования. Создание и хранение графических объектов возможно в нескольких видах - в виде векторного, фрактального или растрового изображения. Отдельным предметом считается 3D (трехмерная) графика, в которой сочетаются векторный и растровый способы формирования изображений. Она изучает методы и приемы построения объемных моделей объектов в виртуальном пространстве. Для каждого вида используется свой способ кодирования графической информации.
Растровое изображение.
При помощи увеличительного стекла можно увидеть, что черно-белое графическое изображение, например из газеты, состоит из мельчайших точек, составляющих определенный узор - растр. Во Франции в 19 веке возникло новое направление в живописи - пуантилизм. Его техника заключалась в том, что на холст рисунок наносился кистью в виде разноцветных точек. Также этот метод издавна применяется в полиграфии для кодирования графической информации. Точность передачи рисунка зависит от количества точек и их размера. После разбиения рисунка на точки, начиная с левого угла, двигаясь по строкам слева направо, можно кодировать цвет каждой точки. Далее одну такую точку будем называть пикселем (происхождение этого слова связано с английской аббревиатурой "picture element" - элемент рисунка). Объем растрового изображения определяется умножением количества пикселей (на информационный объем одной точки, который зависит от количества возможных цветов. Качество изображения определяется разрешающей способностью монитора. Чем она выше, то есть больше количество строк растра и точек в строке, тем выше качество изображения. В современных ПК в основном используют следующие разрешающие способности экрана: 640 на 480, 800 на 600, 1024 на 768 и 1280 на 1024 точки. Так как яркость каждой точки и ее линейные координаты можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что этот метод кодирования позволяет использовать двоичный код для того чтобы обрабатывать графические данные.
Если говорить о черно-белых иллюстрациях, то, если не использовать полутона, то пиксель будет принимать одно из двух состояний: светится (белый) и не светится (черный). А так как информация о цвете пикселя называется кодом пикселя, то для его кодирования достаточно одного бита памяти: 0 - черный, 1 - белый. Если же рассматриваются иллюстрации в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета (а именно такие в настоящее время общеприняты), то достаточно восьмиразрядного двоичного числа для того чтобы закодировать яркость любой точки. В компьютерной графике чрезвычайно важен цвет. Он выступает как средство усиления зрительного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Как формируется ощущение цвета человеческим мозгом? Это происходит в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от отражающих или излучающих объектов. Принято считать, что цветовые рецепторы человека, которые еще называют колбочками, подразделяются на три группы, причем каждая может воспринимать всего один цвет - красный, или зеленый, или синий.
Цветовые модели.
Если говорить о кодировании цветных графических изображений, то нужно рассмотреть принцип декомпозиции произвольного цвета на основные составляющие. Применяют несколько систем кодирования: HSB, RGB и CMYK. Первая цветовая модель проста и интуитивно понятна, т. е. удобна для человека, вторая наиболее удобна для компьютера, а последняя модель CMYK-для типографий. Использование этих цветовых моделей связано с тем, что световой поток может формироваться излучениями, представляющими собой комбинацию " чистых" спектральных цветов : красного, зеленого, синего или их производных. Различают аддитивное цветовоспроизведение (характерно для излучающих объектов) и субтрактивное цветовоспроизведение (характерно для отражающих объектов). В качестве примера объекта первого типа можно привести электронно-лучевую трубку монитора, второго типа - полиграфический отпечаток.
1) Модель HSB характеризуется тремя компонентами: оттенок цвета(Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Можно получить большое количество произвольных цветов, регулируя эти компоненты. Эту цветовую модель лучше применять в тех графических редакторах, в которых изображения создают сами, а не обрабатывают уже готовые. Затем созданное свое произведение можно преобразовать в цветовую модель RGB, если ее планируется использовать в качестве экранной иллюстрации, или CMYK, если в качестве печатной, Значение цвета выбирается как вектор, выходящий из центра окружности. Направление вектора задается в угловых градусах и определяет цветовой оттенок. Насыщенность цвета определяется длиной вектора, а яркость цвета задается на отдельной оси, нулевая точка которой имеет черный цвет. Точка в центре соответствует белому (нейтральному) цвету, а точки по периметру - чистым цветам.
2) Принцип метода RGB заключается в следующем: известно, что любой цвет можно представить в виде комбинации трех цветов: красного (Red, R), зеленого (Green, G), синего (Blue, B). Другие цвета и их оттенки получаются за счет наличия или отсутствия этих составляющих.По первым буквам основных цветов система и получила свое название - RGB. Данная цветовая модель является аддитивной, то есть любой цвет можно получить сочетание основных цветов в различных пропорциях. При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Если совместить все три компоненты, то получим ахроматический серый цвет, при увеличении яркости которого происходит приближение к белому цвету.
При 256 градациях тона (каждая точка кодируется 3 байтами) минимальные значения RGB (0,0,0) соответствуют черному цвету, а белому - максимальные с координатами (255, 255, 255). Чем больше значение байта цветовой составляющей, тем этот цвет ярче. Например, темно-синий кодируется тремя байтами ( 0, 0, 128), а ярко-синий (0, 0, 255).
3) Принцип метода CMYK. Эта цветовая модель используется при подготовке публикаций к печати. Каждому из основных цветов ставится в соответствие дополнительный цвет (дополняющий основной до белого). Получают дополнительный цвет за счет суммирования пары остальных основных цветов. Значит, дополнительными цветами для красного является голубой (Cyan,C) = зеленый + синий = белый - красный, для зеленого - пурпурный (Magenta, M) = красный + синий = белый - зеленый, для синего - желтый (Yellow, Y) = красный + зеленый = белый - синий. Причем принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие можно применять как для основных, так и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить или в виде суммы красной, зеленой, синей составляющей или же в виде суммы голубой, пурупурной, желтой составляющей. В основном такой метод принят в полиграфии. Но там еще используют черный цвет (BlacК, так как буква В уже занята синим цветом, то обозначают буквой K). Это связано с тем, что наложение друг на друга дополнительных цветов не дает чистого черного цвета.
Различают несколько режимов представления цветной графики:
а) полноцветный (True Color);
б) High Color;
в) индексный.
При полноцветном режиме для кодирования яркости каждой из составляющих используют по 256 значений (восемь двоичных разрядов), то есть на кодирование цвета одного пикселя (в системе RGB) надо затратить 8*3=24 разряда. Это позволяет однозначно определять 16,5 млн цветов. Это довольно близко к чувствительности человеческого глаза. При кодировании с помощью системы CMYK для представления цветной графики надо иметь 8*4=32 двоичных разряда.
Режим High Color - это кодирование при помощи 16-разрядных двоичных чисел, то есть уменьшается количестко двоичных разрядов при кодировании каждой точки. Но при этом значительно уменьшается диапазон кодируемых цветов.
При индексном кодировании цвета можно передать всго лишь 256 цветовых оттенков. Каждый цвет кодируется при помощи восьми бит данных. Но так как 256 значений не передают весь диапазон цветов, доступный человеческому глазу, то подразумевается, что к графическим данным прилагается палитра (справочная таблица), без которой воспроизведение будет неадекватным: море может получиться красным, а листья - синими. Сам код точки растра в данном случае означает не сам по себе цвет, а только его номер (индекс) в палитре. Отсюда и название режима - индексный.
Соответствие между количеством отображаемых цветов (К) и количеством бит для их кодировки (а) находиться по формуле:
К = 2а .
А К Достаточно для…
4 24 = 16
8 28 = 256 Рисованных изображений типа тех, что видим в мультфильмах, но недостаточно для изображений живой природы
16 (High Color) 216 = 65536 Изображений, которые на картинках в журналах и на фотографиях
24 (True Color) 232 = 16 777 216 Обработки и передачи изображений, не уступающих по качеству наблюдаемым в живой природе
Двоичный код изображения, выводимого на экран, хранится в видеопамяти. Видеопамять - это электронное энергозависимое запоминающее устройство. Размер видеопамяти зависит от разрешающей способности дисплея и количества цветов. Но ее минимальный объем определяется так, чтобы поместился один кадр (одна страница) изображения, т.е. как результат произведения разрешающей способности на размер кода пикселя.
Vmin = M * N * a.
Двоичный код восьмицветной палитры.
Цвет Составляющие
к З С
Красный 1 0 0
Зеленый 0 1 0
Синий 0 0 1
Голубой 0 1 1
Пурпурный 1 0 1
Желтый 1 1 0
Белый 1 1 1
Черный 0 0 0
Шестнадцатицветная палитра позволяет увеличить количество используемых цветов. Здесь будет использоваться 4-разрядная кодировка пикселя: 3 бита основных цветов + 1 бит интенсивности. Последний управляет яркостью трех базовых цветов одновременно (интенсивностью трех электронных пучков).
Двоичный код шестнадцатицветной палитры.
Цвет Составляющие
к З С Интенс
Красный 1 0 0 0
Зеленый 0 1 0 0
Синий 0 0 1 0
Голубой 0 1 1 0
Пурпурный 1 0 1 1
Ярко-желтый 1 1 0 1
Серый(белый) 1 1 1 0
Темно-серый 0 0 0 1
Ярко-голубой 0 1 1 1
Ярко-синий 0 0 1 0

Ярко-белый 1 1 1 1
Черный 0 0 0 0
При раздельном управлении интенсивностью основных цветов количество получаемых цветов увеличивается. Так для получения палитры при глубине цвета в 24 бита на каждый цвет выделяется по 8 бит, то есть возможны 256 уровней интенсивности (К = 28).
Двоичный код 256-цветной палитры.
Цвет Составляющие
K З С
Красный 11111111 00000000 00000000
Зеленый 00000000 11111111 00000000
Синий 00000000 00000000 11111111
Голубой 00000000 11111111 11111111
Пурпурный 11111111 00000000 11111111
Желтый 11111111 11111111 00000000
Белый 11111111 11111111 11111111
Черный 00000000 00000000 00000000
Векторное и фрактальное изображения.
Векторное изображение - это графический объект, состоящий из элементарных отрезков и дуг. Базовым элементом изоражения является линия. Как и любой объект, она обладает свойствами: формой (прямая, кривая), толщиной., цветом, начертанием (пунктирная, сплошная). Замкнутые линии имеют свойство заполнения (или другими объектами, или выбранным цветом). Все прочие объекты векторной графики составляются из линий. Так как линия описывается математически как единый объект, то и объем данных для отображения объекта средствами векторной графики значительно меньше, чем в растровой графике. Информация о векторном изображении кодируется как обычная буквенно-цифровая и обрабатывается специальными программами.
К программным средствам создания и обработки векторной графики относятся следующие ГР: CorelDraw, Adobe Illustrator, а также векторизаторы (трассировщики) - специализированные пакеты преобразования растровых изображений в векторные.
Фрактальная графика основывается на математических вычислениях, как и векторная. Но в отличии от векторной ее базовым элементом является сама математическая формула. Это приводит к тому, что в памяти компьютера не хранится никаких объектов и изображение строится только по уравнениям. При помощи этого способа можно строить простейшие регулярные структуры, а также сложные иллюстрации, которые иммитируют ландшафты.
Задачи.

Известно, что видеопамять компьютера имеет объем 512 Кбайт. Разрешающая способность экрана 640 на 200. Сколько страниц экрана одновременно разместится в видеопамяти при палитре
а) из 8 цветов;
б) 16 цветов;
в) 256 цветов?

Сколько бит требуется, чтобы закодировать информацию о 130 оттенках? Нетрудно подсчитать, что 8 (то есть 1 байт), поскольку при помощи 7 бит можно сохранить номер оттенка о 0 до 127, а 8 бит хранят от 0 до 255. Легко видеть, что такой способ кодирования неоптимален: 130 заметно меньше 255. Подумайте, как уплотнить информацию о рисунке при его записи в файл, если известно, что
а) в рисунке одновременно содержится только 16 цветовых оттенков из 138 возможных;
б) в рисунке присутствуют все 130 оттенков одновременно, но количество точек, закрашенных разными оттенками, сильно различаются.
Решение.

а) очевидно, что для хранения информации о 16 оттенках достаточно 4 бита (половина байта). Однако так как эти 16 оттенков выбраны из 130, то они могут иметь номера, не умещающиеся в 4 битах. Поэтому воспользуемся методом палитр. Назначим 16 используемым в нашем рисунке оттенкам свои “локальные” номера от 1 до 15 и закодируем весь рисунок из расчета 2 точки на байт. А затем допишем к этой информации (в конец содержащего ее файла) таблицу соответствия, состоящую из 16 пар байтов с номерами оттенков: 1 байт - наш “локальный” номер в данном рисунке, второй - реальный номер данного оттенка. (когда вместо последнего используется закодированная информация о самом оттенке, например, сведения об яркости свечения “электроннык пушек” Red, Green, Blue электронно-лучевой трубки, то такая таблица и будет представлять собой палитру цветов). Если рисунок достаточно велик, выигрыш в объеме полученного файла будет значительным;
б) попытаемся реализовать простейший алгоритм архивации информации о рисунке. Назначим трем оттенкам, которыми закрашено минимальное количество точек, коды 128 - 130, а остальным оттенкам - коды 1 -127. Будем записывать в файл (котрый в этом случае представлыет собой не последовательность байтов, а сплошной битовый поток) семибитные коды для оттенков с номерами от 1 до 127. Для оставшихся же трех оттенков в битовом потоке будем записывать число-признак - семибитный 0 - и сразу за ним двухбитный “локальный” номер, а в конце файла добавим таблицу соответствия “локальных”и реальных номеров. Так как оттенки с кодами 128 - 130 встречаются редко, то семибитных нулей будет немного.
Заметим, что постановка вопросов в данной задаче не исключает и другие варианты решения, без привязки к цветовому составу изображения - архивацию:
а) на основе выделения последовательности точек, закрашенных одинаковыми оттенками и замены каждой из этих последовательностей на пару чисел (цвет),(количество) (этот принцип лежит в основе графического формата РСХ);
б) путем сравнения пиксельных строк (запись номеров оттенков точек первой страницы целиком, а для последующих строк запись номеров оттенков только тех точек, оттенки которых отличаются от отенков точек, стоящих в той же позиции в предыдущей строке, - это основа формата GIF);
в) с помощью фрактального алгоритма упаковки изображений (формат YPEG). (ИО 6,1999)
Кодирование звуковой информации
Мир наполнен самыми разнообразными звуками: тиканье часов и гул моторов, завывание ветра и шелест листьев, пение птиц и голоса людей. О том, как рождаются звуки и что они собой представляют люди начали догадываться очень давно. Еще древнегреческий философ и ученый - энциклопедист Аристотель, исходя из наблюдений, объяснял природу звука, полагая, что звучащее тело создает попеременное сжатие и разрежение воздуха. Так, колеблющаяся струна то разряжает, то уплотняет воздух, а из-за упругости воздуха эти чередующиеся воздействия передаются дальше в пространство - от слоя к слою, возникают упругие волны. Достигая нашего уха, они воздействуют на барабанные перепонки и вызывают ощущение звука.
На слух человек воспринимает упругие волны, имеющие частоту где-то в пределах от 16 Гц до 20 кГц (1 Гц - 1 колебание в секунду). В соответствии с этим упругие волны в любой среде, частоты которых лежат в указанных пределах, называют звуковыми волнами или просто звуком. В учении о звуке важны такие понятия как тон и тембр звука. Всякий реальный звук, будь то игра музыкальных инструментов или голос человека, - это своеобразная смесь многих гармонических колебаний с определенным набором частот.
Колебание, которое имеет наиболее низкую частоту, называют основным тоном, другие - обертонами.
Тембр - разное количество обертонов, присущих тому или иному звуку, которое придает ему особую окраску. Отличие одного тембра от другого обусловлено не только числом, но и интенсивностью обертонов, сопровождающих звучание основного тона. Именно по тембру мы легко можем отличить звуки рояля и скрипки, гитары и флейты, узнать голос знакомого человека.
Музыкальный звук можно характеризовать тремя качествами: тембром, т. е. окраской звука, которая зависит от формы колебаний, высотой, определяющейся числом колебаний в секунду (частотой), и громкостью, зависящей от интенсивности колебаний.
Компьютер широко применяют в настоящее время в различных сферах. Не стала исключением и обработка звуковой информации, музыка. До 1983 года все записи музыки выходили на виниловых пластинках и компакт-кассетах. В настоящее время широкое распространение получили компакт-диски. Если имеется компьютер, на котором установлена студийная звуковая плата, с подключенными к ней MIDI-клавиатурой и микрофоном, то можно работать со специализированным музыкальным программным обеспечением.
Условно его можно разбить на несколько видов:

1) всевозможные служебные программы и драйверы, предназначенные для работы с конкретными звуковыми платами и внешними устройствами;
2) аудиоредакторы, которые предназначены для работы со звуковыми файлами, позволяют производить с ними любые операции - от разбиения на части до обработки эффектами;
3) программные синтезаторы, которые появились сравнительно недавно и корректно работают только на мощных компьютерах. Они позволяют экспериментировать с созданием различных звуков;
и другие.
К первой группе относятся все служебные программы операционной системы. Так, например, win 95 и 98 имеют свои собственные программы микшеры и утилиты для воспроизведения/записи звука, проигрывания компакт-дисков и стандартных MIDI - файлов. Установив звуковую плату можно при помощи этих программ проверить ее работоспособность. Например, программа Фонограф предназначена для работы с wave-файлами (файлы звукозаписи в формате Windows). Эти файлы имеют расширение .WAV . Эта программа предоставляет возможность воспроизводить, записывать и редактировать звукозапись приемами, аналогичными приемам работы с магнитофоном. Желательно для работы с Фонографом подключить микрофон к компьютеру. Если необходимо сделать звукозапись, то нужно определиться с качеством звука, так как именно от нее зависит продолжительность звукозаписи. Возможная продолжительность звучания тем меньше, чем выше качество записи. При среднем качестве записи можно удовлетворительно записывать речь, создавая файлы продолжительностью звучания до 60 секунд. Примерно 6 секунд будет продолжительность записи, имеющая качество музыкального компакт - диска.
А как же происходит кодирование звука? С самого детства мы сталкиваемся с записями музыки на разных носителях: грампластинках, кассетах, компакт-дисках и т.д. В настоящее время существует два основных способах записи звука: аналоговый и цифровой. Но для того чтобы записать звук на какой-нибудь носитель его нужно преобразовать в электрический сигнал.
Это делается с помощью микрофона. Самые простые микрофоны имеют мембрану, которая колеблется под воздействием звуковых волн. К мембране присоединена катушка, перемещающаяся синхронно с мембраной в магнитном поле. В катушке возникает переменный электрический ток. Изменения напряжения тока точно отражают звуковые волны.
Переменный электрический ток, который появляется на выходе микрофона, называется аналоговым сигналом. Применительно к электрическому сигналу «аналоговый» обозначает, что этот сигнал непрерывен по времени и амплитуде. Он точно отражает форму звуковой волны, которая распространяется в воздухе.
Звуковую информацию можно представить в дискретной или аналоговой форме. Их отличие в том, что при дискретном представлении информации физическая величина изменяется скачкообразно («лесенкой»), принимая конечное множество значений. Если же информацию представить в аналоговой форме, то физическая величина может принимать бесконечное количество значений, непрерывно изменяющихся.
Виниловая пластинка является примером аналогового хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка свою форму изменяет непрерывно. Но у аналоговых записей на магнитную ленту есть большой недостаток - старение носителя. За год фонограмма, которая имела нормальный уровень высоких частот, может их потерять. Виниловые пластинки при проигрывании их несколько раз теряют качество. Поэтому преимущество отдают цифровой записи.
В начале 80-х годов появились компакт-диски. Они являются примером дискретного хранения звуковой информации, так как звуковая дорожка компакт - диска содержит участки с различной отражающей способностью. Теоретически эти цифровые диски могут служить вечно, если их не царапать, т.е. их преимуществами являются долговечность и неподверженность механическому старению. Другое преимущество заключается в том, что при цифровой перезаписи нет потери качества звука.
На мультимедийных звуковых картах можно найти аналоговые микрофонный предусилитель и микшер.
Цифро-аналоговое и аналого-цифровое преобразование звуковой информации.
Кратко рассмотрим процессы преобразования звука из аналоговой формы в цифровую и наоборот. Примерное представление о том, что происходит в звуковой карте, может помочь избежать некоторых ошибок при работе со звуком
Звуковые волны при помощи микрофона превращаются в аналоговый переменный электрический сигнал. Он проходит через звуковой тракт (см. приложения рисунок 1.11, схема 1) и попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, которое переводит сигнал в цифровую форму.
В упрощенном виде принцип работы АЦП заключается в следующем: он измеряет через определенные промежутки времени амплитуду сигнала и передает дальше, уже по цифровому тракту, последовательность чисел, несущих информацию об изменениях амплитуды (.см. приложения рисунок 1.11, схема 2).
Во время аналого-цифрового преобразования никакого физического преобразования не происходит. С электрического сигнала как бы снимается отпечаток или образец, являющийся цифровой моделью колебаний напряжения в аудиотракте. Если это изобразить в виде схемы, то эта модель представлена в виде последовательности столбиков, каждый из которых соответствует определенному числовому значению. Цифровой сигнал по своей природе дискретен - то есть прерывист, поэтому цифровая модель не совсем точно соответствует форме аналогового сигнала.
Семпл - это промежуток времени между двумя измерениями амплитуды аналогового сигнала .
Дословно Sample переводится с английского как «образец». В мультимедийной и профессиональной звуковой терминологии это слово имеет несколько значений. Кроме промежутка времени семплом называют также любую последовательность цифровых данных, которые получили путем аналого-цифрового преобразования. Сам процесс преобразования называют семплированием. В русском техническом языке называют его дискредитацией.
Вывод цифрового звука происходит при помощи цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), который на основании поступающих цифровых данных в соответствующие моменты времени генерирует электрический сигнал необходимой амплитуды (см. приложения рисунок 1.11, схема 3).
Параметры семплирования
Важными параметрами семплирования являются частота и разрядность.
Частота - количество измерений амплитуды аналогового сигнала в секунду.
Если частота семплирования не будет более чем в два раза превышать частоту верхней границы звукового диапазона, то на высоких частотах будут происходить потери. Это объясняет то, что стандартная частота для звукового компакт-диска - это частота 44.1 кГц. Так как диапазон колебаний звуковых волн находится в пределах от 20 Гц до 20 кГц, то количество измерений сигнала в секунду должно быть больше, чем количество колебаний за тот же промежуток времени. Если же частота дискредитации значительно ниже частоты звуковой волны, то амплитуда сигнала успевает несколько раз измениться за время между измерениями, а это приводит к тому, что цифровой отпечаток несет хаотичный набор данных. При цифро-аналоговом преобразовании такой семпл не передает основной сигнал, а только выдает шум.
В новом формате компакт-дисков Audio DVD за одну секунду сигнал измеряется 96 000 раз, т.е. применяют частоту семплирования 96 кГц. Для экономии места на жестком диске в мультимедийных приложениях довольно часто применяют меньшие частоты: 11, 22, 32 кГц. Это приводит к уменьшению слышимого диапазона частот, а, значит, происходит сильное искажение того, что слышно.
Если в виде графика представить один и тот же звук высотой 1 кГц (нота до седьмой октавы фортепиано примерно соответствует этой частоте), но семплированный с разной частотой (нижняя часть синусоиды не показана на всех графиках), то будут видны различия. Одно деление на горизонтальной оси , которая показывает время, соответствует 10 семплам. Масштаб взят одинаковый см. приложения рисунок 1.13). Можно видеть, что на частоте 11 кГц примерно пять колебаний звуковой волны приходится на каждые 50 семплов, то есть один период синусоиды отображается всего при помощи 10 значений. Это довольно неточная передача. В то же время, если рассматривать частоту оцифровки 44 кГц, то на каждый период синусоиды приходится уже почти 50 семплов. Это позволяет получить сигнал хорошего качества.
Разрядность указывает с какой точностью происходят изменения амплитуды аналогового сигнала. Точность, с которой при оцифровке передается значение амплитуды сигнала в каждый из моментов времени, определяет качество сигнала после цифро-аналогового преобразования. Именно от разрядности зависит достоверность восстановления формы волны.
Для кодирования значения амплитуды используют принцип двоичного кодирования. Звуковой сигнал должен быть представленным в виде последовательности электрических импульсов (двоичных нулей и единиц). Обычно используют 8, 16-битное или 20-битное представление значений амплитуды. При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала его заменяют последовательностью дискретных уровней сигнала. От частоты дискредитации (количества измерений уровня сигнала в единицу времени) зависит качество кодирования. С увеличением частоты дискредитации увеличивается точность двоичного представления информации. При частоте 8 кГц (количество измерений в секунду 8000) качество семплированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 кГц (количество измерений в секунду 48000) - качеству звучания аудио- CD.
Если использовать 8-битное кодирование, то можно достичь точность изменения амплитуды аналогового сигнала до 1/256 от динамического диапазона цифрового устройства (28 = 256).
Если использовать 16-битное кодирование для представления значений амплитуды звукового сигнала, то точность измерения возрастет в 256 раз.
В современных преобразователях принято использовать 20-битное кодирование сигнала, что позволяет получать высококачественную оцифровку звука.
Вспомним формулу К = 2a . Здесь К - количество всевозможных звуков (количество различных уровней сигнала или состояний), которые можно получить при помощи кодирования звука а битами
а К Применение
8 256 Недостаточно для достоверного восстановления исходного сигнала, так как будут большие нелинейные искажения. Применяют в основном в мультимедийных приложениях, где не требуется высокое качество звука
16 65536 Используется при записи компакт-дисков,так как нелинейные искажения сводятся к минимуму.
20 1048576 Где требуется высококачественная оцифровка звука.
Но эти данные истинны только для того сигнала, чей максимальный уровень 0 дБ. Если нужно семплировать сигнал с уровнем 6 дБ с разрядностью 16 бит, то для кодирования его амплитуды будет оставаться на самом деле только 15 бит. Если сигнал с уровнем 12 дБ, то 14 бит. С увеличением уровня сигнала увеличивается разрядность его оцифровки, а значит , уменьшается уровень нелинейных искажений (В технической литературе существует термин «шум квантования»), в свою очередь каждые 6 дБ уменьшающие уровень будут «съедать» 1 бит.
В настоящее время появился новый бытовой цифровой формат Audio DVD, который использует разрядность 24 бита и частоту семплирования 96 кГц. С его помощью можно избежать выше рассмотренного недостатка 16-битного кодирования.
На современные цифровые звуковые устройства устанавливаются 20-битные преобразователи. Звук так и остается 16-битным, преобразователи повышенной разрядности устанавливают для улучшения качества записи на низких уровнях. Их принцип работы заключается в следующем: исходный аналоговый сигнал оцифровывается с разрядностью 20 бит. Затем цифровой сигнальный процессор DSPП онижает его разрядность до 16 бит. При этом используется специальный алгоритм вычислений, при помощи которого можно снизить искажения низкоуровневых сигналов. Обратный процесс наблюдается при цифро-аналоговом преобразовании: разрядность повышается с 16 до 20 бит при использовании специального алгоритма, который позволяет более точно определять значения амплитуды. То есть звук остается 16-разрядным, но имеется общее улучшение качества звучания.
Задачи.

1. Подсчитать, сколько места будет занимать одна минута цифрового звука на жестком диске или любом другом цифровом носителе, записанного с частотой
а) 44.1 кГц;
б) 11 кГц;
в) 22 кГц;
г) 32 кГц
и разрядностью 16 бит.
Решение.

а) Если записывают моносигнал с частотой 44.1 кГц, разрядностью 16 бит (2 байта), то каждую минуту аналого-цифровой преобразователь будет выдавать 441000 * 2 * 60 = 529000 байт (примерно 5 Мб) данных об амплитуде аналогового сигнала, который в компьютере записываются на жесткий диск.
Если записывают стереосигнал, то 1058000 байт (около 10 Мб)
б) для частот 11, 22, 32 кГц расчеты производятся аналогично.

2. Какой информационный объем имеет моноаудиофайл, длительность звучания которого 1 секунда, при среднем качестве звука (16 бит, 24 кГц)?
Решение.

16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт = 47 кБайт

3. Рассчитайте объем стереоаудиофайла длительностью 20 секунд при 20-битном кодировании и частоте дискредитации 44.1 кГц.
Решение.

20 бит * 20 * 44100 * 2 = 35280000 бит = 4410000 байт = 4.41 Мб

4. Определить количество уровней звукового сигнала при использовании устаревших 8-битных звуковых карт.
Решение.

К = 28 = 256.
Самостоятельная работа ( а) - первый вариант, б) - второй).

1. Привести пример
а) аналогового способа представления звуковой информации;
б) дискретного способа представления звуковой информации.

2. Что называется
а) частотой дискредитации (семплирования);
б) семплом.

3. Опишите
а) в чем заключается принцип двоичного кодирования звука;
б) от каких параметров зависит качество двоичного кодирования звука.
6.2
Международные системы байтового кодирования

Информатика и ее приложения интернациональны. Это связано как с объективными потребностями человечества в единых правилах и законах хранения, передачи и обработки информации, так и с тем, что в этой сфере деятельности (особенно в ее прикладной части) заметен приоритет одной страны, которая благодаря этому получает возможность "диктовать моду”.

Компьютер считают универсальным преобразователем информации. Тексты на естественных языках и числа, математические и специальные символы – одним словом все, что в быту или в профессиональной деятельности может быть необходимо человеку, должно иметь возможность быть введенным в компьютер.

В силу безусловного приоритета двоичной системы счисления при внутреннем представлении информации в компьютере кодирование "внешних” символов основывается на сопоставлении каждому из них определенной группы двоичных знаков. При этом из технических соображений и из соображений удобства кодирования-декодирования следует пользоваться равномерными кодами, т.е. двоичными группами равной длины.

Попробуем подсчитать наиболее короткую длину такой комбинации с точки зрения человека, заинтересованного в использовании лишь одного естественного алфавита – скажем, английского: 26 букв следует умножить на 2 (прописные и строчные) – итого 52; 10 цифр, будем считать, 10 знаков препинания; 10 разделительных знаков (три вида скобок, пробел и др.), знаки привычных математических действий, несколько специальных символов (типа #, $, & и др.) – итого ~ 100. Точный подсчет здесь не нужен, поскольку нам предстоит решить простейшую задачу: имея, скажем, равномерный код из групп по N двоичных знаков, сколько можно образовать разных кодовых комбинаций. Ответ очевиден К = 2N. Итак, при N = 6 К = 64 – явно мало, при N = 7 К = 128 – вполне достаточно.

Однако, для кодирования нескольких (хотя бы двух) естественных алфавитов (плюс все отмеченные выше знаки) и этого недостаточно. Минимально достаточное значение N в этом случае 8; имея 256 комбинаций двоичных символов, вполне можно решить указанную задачу. Поскольку 8 двоичных символов составляют 1 байт, то говорят о системах "байтового” кодирования.

Наиболеераспространеныдветакиесистемы: EBCDIC (Extended Binary Coded Decimal Interchange Code) и ASCII (American Standard Information Interchange).

Первая – исторически тяготеет к "большим” машинам, вторая чаще используется на мини- и микро-ЭВМ (включая персональные компьютеры). Ознакомимся подробнее именно с ASCII, созданной в 1963 г.

В своей первоначальной версии это – система семибитного кодирования. Она ограничивалась одним естественным алфавитом (английским), цифрами и набором различных символов, включая "символы пишущей машинки” (привычные знаки препинания, знаки математических действий и др.) и "управляющие символы”. Примеры последних легко найти на клавиатуре компьютера: для микро-ЭВМ, например, DEL – знак удаления символа.

В следующей версии фирма IBM перешла на расширенную 8-битную кодировку. В ней первые 128 символов совпадают с исходными и имеют коды со старшим битом равным нулю, а остальные коды отданы под буквы некоторых европейских языков, в основе которых лежит латиница, греческие буквы, математические символы (скажем, знак квадратного корня) и символы псевдографики. С помощью последних можно создавать таблицы, несложные схемы и др.

Для представления букв русского языка (кириллицы) в рамках ASCII было предложено несколько версий. Первоначально был разработан ГОСТ под названием КОИ-7, оказавшийся по ряду причин крайне неудачным; ныне он практически не используется.

В табл. 2 приведена часто используемая в нашей стране модифицированная альтернативная кодировка. В левую часть входят исходные коды ASCII; в правую часть (расширение ASCII) вставлены буквы кириллицы взамен букв, немецкого, французского алфавитов (не совпадающих по написанию с английскими), греческих букв, некоторых спецсимволов.

Знакам алфавита ПЭВМ ставятся в соответствие шестнадцатиричные числа по правилу: первая – номер столбца, вторая – номер строки. Например: английская 'А' – код 41, русская 'и' – код А8.

Таблица 2. Таблица кодов ASCII (расширенная)



Одним из достоинств этой системы кодировки русских букв является их естественное упорядочение, т.е. номера букв следуют друг за другом в том же порядке, в каком сами буквы стоят в русском алфавите. Это очень существенно при решении ряда задач обработки текстов, когда требуется выполнить или использовать лексикографическое упорядочение слов.

Из сказанного выше следует, что даже 8-битная кодировка недостаточна для кодирования всех символов, которые хотелось бы иметь в расширенном алфавите. Все препятствия могут быть сняты при переходе на 16-битную кодировку Unicode, допускающую 65536 кодовых комбинаций.
7.
Двоичное кодирование графической информации
С 80-х годов интенсивно развивается технология обработки на компьютере графической информации.
Компьютерная графика позволяет создавать и редактировать рисунки, схемы, чертежи, преобразовывать изображения (фотографии, слайды и т.д.), представлять статистические данные в форме деловой графики, создавать анимационные модели (научные, игровые и т.д.), обрабатывать «живое видео».
Графическая информация на экране монитора представляется в виде (изображения, которое формируется из точек (пикселей). В простейшем случае (черно-белое изображение без градаций серого цвета) каждая точка экрана может иметь лишь два состояния — «черная» или «белая», т.е. для хранения ее состояния необходим 1 бит.
Цветные изображения могут иметь различную глубину цвета (бит на точку: 4. 8, 16, 24). Каждый цвет можно рассматривать как возможное состояние точки, и тогда по формуле N = 21 может быть вычислено количество цветов, отображаемых на экране монитора.
Изображение может иметь различный размер, который определяется количеством точек по горизонтали и по вертикали. В современных персональных компьютерах обычно используются четыре основных размера изображения или разрешающих способностей экрана: 640*480, 800*600, 1024*768 и 1280*1024 точки.
Графический режим вывода изображения на экран определяется разрешающей способностью экрана и глубиной цвета. Полная информация о всех точках изображения, хранящаяся в видеопамяти, называется битовой картой изображения.
Для того чтобы на экране монитора формировалось изображение, информация о каждой его точке (цвет точки) должна храниться в видеопамяти компьютера. Рассчитаем необходимый объем видеопамяти для наиболее распространенного в настоящее время графического режима (800*600 точек, 16 бит на точку).
Всего точек на экране: 800 * 600 = 480000
Необходимый объем видеопамяти: 16 бит * 480000 = 7680000 бит = 960000 байт = 937,5 Кбайт.
Аналогично рассчитывается необходимый объем видеопамяти для других графических режимов.
Таблица . Объем видеопамяти для различных графических режимов
Современные компьютеры обладают такими техническими характери­стиками, которые позволяют обрабатывать и выводить на экран, так называемое «живое видео», т.е. видеоизображение естественных объектов. Видеоизображение формируется из отдельных кадров, которые сменяют друг друга с высокой частотой (не воспринимаемой глазом). Обычно частота кадров составляет 25 Гц, т.е. за 1 секунду сменяется 25 кадров.
Двоичное кодирование звуковой информации
С начала 90-х годов персональные компьютеры получили возмож­ность работать со звуковой информацией. Каждый компьютер, имеющий звуковую плату, микрофон и колонки, может записывать, сохранять и воспроизводить звуковую информацию. С помощью специальных про­граммных средств (редакторов аудиофайлов) открываются широкие возможности по созданию, редактированию и прослушиванию звуковых файлов. Создаются программы распознавания речи и появляется возможность управления компьютером при помощи голоса.
Звуковой сигнал - это непрерывная волна с изменяющейся амплитудой и частотой. Чем больше амплитуда сигнала, тем он громче для человека, чем больше частота сигнала, тем выше тон. Для того чтобы компью­тер мог обрабатывать непрерывный звуковой сигнал, он должен быть дистретизирован, т.е. превращен в последовательность электрических им­пульсов (двоичных нулей и единиц).
При двоичном кодировании непрерывного звукового сигнала он заменяется серией его отдельных выборок — отсчетов.
Современные звуковые карты могут обеспечить кодирование 65536 различных уровней сигнала или состояний. Для определения количества бит, необходимых для кодирования, решим показательное уравнение:
Таким образом, современные звуковые карты обеспечивают 16-битное кодирование звука. При каждой выборке значению амплитуды звукового сигнала присваивается 16-битный код.
Количество выборок в секунду может быть в диапазоне от 8000 до 48000, т.е. частота дискретизации аналогового звукового сигнала может принимать значения от 8 до 48 Кгц. При частоте 8 Кгц качество дискретизированного звукового сигнала соответствует качеству радиотрансляции, а при частоте 48 Кгц - качеству звучания аудио-CD. Следует также учитывать, что возможны как моно-, так и стерео-режимы.
Можно оценить информационный объем моном аудио файла длительно­стью звучания 1 секунду при среднем качестве звука (16 бит, 24 Кгц). Для этого количество бит на одну выборку необходимо умножить на количе­ство выборок в 1 секунду:
16 бит * 24000 = 384000 бит = 48000 байт или 47 Кбайт
8
Определить понятие "количество информации" довольно сложно. В решении этой проблемы существует два основных подхода. Исторически они возникли почти одновременно. В конце 1940 г. один из основоположников кибирнетиеи американский математик Клож Шенон развил вероятностный подход к измерению количества информации, а работы по созданию ЭВМ привели к "объемному подходу".

Количество информации как мера уменьшения неопределенности
(вероятностный подход)

С точки зрения отдельного человека, ценность информации определяется тем, насколько она проясняет для него какой-либо вопрос, то есть уменьшает неопределенность ситуации. При этом количество одной и той же информации может быть оценено различными людьми по-разному. Для объективного измерения количества информации необходимо формализовать задачу.

Будем считать события равновозможными, если мы не располагаем заранее никакой информацией (статистическими данными, логическими умозаключениями и т.д.), о том, что шансы одного из событий выше или ниже, чем шансы любого другого. При этом имеется в виду, что в результате опыта обязательно наступит какое-либо событие и притом только одно.

Так, например, при подбрасывании монеты выпадение орла или решки можно считать равновозможными событиями, предполагая монету идеальной, то есть исключив из рассмотрения возможность других исходов ("зависла в воздухе", "встала на ребро"), а также влияние на исход опыта чеканки на сторонах монеты, отклонения формы реальной монеты от правильной и т. д.

Чем больше равновозможных событий, тем больше неопределенность ситуации. Минимальный размер сообщения о том, что произошло одно из двух равновозможных событий, равен одному биту. Информацию о том, что произошло первое событие, можно закодировать в двоичном алфавите нулем, а о том, что произошло второе событие – единицей.

Для уменьшения неопределенности в два раза (вместо двух возможных событий – одно реально произошедшее) требуется один бит информации. Иначе говоря, сообщение, уменьшающее неопределенность ситуации в два раза, несет один бит информации. Если его длина, подсчитанная с использованием алфавитного подхода, больше, значит сообщение несет избыточную, с точки зрения уменьшения неопределенности, информацию.

Пример. С точки зрения уменьшения неопределенности, сообщение о исходе опыта бросания идеальной монеты (два равновозможных события) несет один бит информации.

Можно рассчитать длину сообщения в двоичном алфавите, необходимую для передачи информации. Для уменьшения неопределенности ситуации в 2n раз необходимо n бит информации.

Пример. С точки зрения уменьшения неопределенности, сообщение о исходе опыта бросания двух идеальных монет (четыре равновозможных события: орел-решка; решка-орел; орел-орел; решка-решка) несет два бита информации. Действительно, 2n в данном случае равняется четырем, следовательно n = 2.

Задача нахождения n по известному значению k = 2n решается нахождением логарифма числа k по основанию 2, поэтому, для того, чтобы закодировать информацию, уменьшающую неопределенность в k раз, необходимо log2k бит информации. Приведем таблицу некоторых двоичных логарифмов, являющихся целыми числами. n log2k

Пример. С точки зрения уменьшения неопределенности, сообщение о исходе опыта бросания точечного объекта на шахматную доску (равновозможные события - попадания в одну из 64 клеток) несет 6 бит информации. Действительно, k в данном случае равняется 64, log264 = 6. Минимальная длина двоичного сообщения также будет равна 6. Подробнее: номер клетки доски по вертикали можно закодировать целым числом от 0 до 7. Для этого требуется 3 двоичных разряда (см. Системы счисления). Еще 3 разряда нужны для того, чтобы закодировать номер клетки доски по горизонтали, 3+3=6. Можно также просто пронумеровать все клетки числами от 0 до 63. Для этого опять-таки потребуется 6 разрядов.

Если используется алфавит, состоящий не из двух, а из 2p знаков, то каждый знак может нести информацию, уменьшающую неопределенность ситуации в 2p раз. Таким образом, сообщение из m знаков позволяет уменьшить неопределенность в (2p)m = 2pm раз, то есть его информационный объем равен m·p бит, что согласуется с результатом, полученным при использовании алфавитного подхода.

Пример. Пусть для кодирования сообщения о попадании точечного объекта на клетку шахматной доски используется алфавит из 8 символов (2p = 8, следовательно p = 3). Сообщение уменьшает неопределенность в 64 раза, следовательно 2pm = 23m = 64, отсюда 3m = log264 = 6; m = 2, то есть для кодирования информации попадании точечного объекта на клетку шахматной доски потребуется сообщение из двух знаков восьмисимвольного алфавита. Действительно, в первом знаке сообщения можно закодировать, например, информацию о горизонтали клетки, а во втором — о вертикали. В общепринятой шахматной нотации фактически используется указанный способ именования клеток, только для удобства чтения первый символ сообщения записывается как буква, а второй - как цифра. С математической точки зрения ничто не мешает обозначать клетки a1 и h8 как aa и hh или 11 и 88, используя только 8 символов.

Алфавитный подход

Если информация представлена в виде дискретного сообщения, то логично считать количеством информации его длину, то есть общее число знаков в сообщении. Но длина сообщения зависит не только от содержащейся в нем информации. На нее влияет мощность алфавита используемого языка. Чем меньше знаков в используемом алфавите, тем длиннее сообщение. Так, например, в алфавите азбуки Морзе всего три знака (точка, тире, пауза), поэтому для кодирования каждой русской или латинской буквы нужно использовать несколько знаков, и текст, закодированный по Морзе, будет намного длиннее, чем при обычной записи.

Пример: Сигнал SOS: 3 знака в латинском алфавите;

11 знаков в алфавите Морзе: ··· пауза – – – пауза ···.

Для упорядочивания измерений информационный объем сообщений принято измерять в битах. Один бит соответствует одному знаку двоичного алфавита. Итак, чтобы измерить длину сообщения, его нужно представить в двоичном виде и подсчитать количество двоичных знаков – битов. При этом совсем не обязательно уметь интерпретировать сообщения.

Пример: Пусть сообщение в двоичном алфавите выглядит следующим образом: 000100010001. Мы не знаем, какая информация была заложена в этом сообщении, но можем легко подсчитать его длину – 12 двоичных знаков, следовательно, его информационный объем равен 12-ти битам.

Такой способ измерения количества информации называется алфавитным подходом. При этом измеряется не содержание информации с точки зрения его новизны и полезности, а размер несущего информацию сообщения. Мы уже убедились, что при алфавитном подходе к определению количества информации одни и те же сведения, закодированные по-разному, будут иметь различный информационный объем. Сообщения одинаковой длины могут нести совершенно как совершенно бесполезные сведения, так и нужную информацию. Пример: Применяя алфавитный подход, получаем, что информационный объем слов “фыырпбьощ” и “компьютер” совершенно одинаков, а слов “ученик” и “учащийся” – различен.

Если алфавит содержит 2n знаков, то каждый из его знаков можно закодировать с помощью n знаков двоичного алфавита. Таким образом, объем информации, содержащейся в сообщении длиной m при использовании алфавита мощностью 2n, равен m·n бит.
Пример:

Найдем информационный объем слова SOS, записанного в компьютерной кодировке. При кодировании букв в компьютере используется либо алфавит ASCII (American Standard Code for Information Interchange — американский стандартный код обмена информацией), состоящий из 28=256 знаков, либо алфавит Unicode, мощность которого 216 = 65536. В слове SOS три буквы, следовательно, его информационный объем 3·8=24 или 3·16=48 бит, в зависимости от используемой кодировки.

Алфавитный подход удобен при подсчете количества информации, хранимого, передаваемого и обрабатываемого техническими устройствами. Действительно, устройствам нет дела до содержательной стороны сообщений. Компьютеры, принтеры, модемы работают не с самой информацией а с ее представлением в виде сообщений. Оценить информационные результаты их работы как полезные или бесполезные может только человек.

Единицы измерения информации

Для удобства, помимо бита используются более крупные единицы измерения количества информации. Вот соотношения между ними:

То, что отношения между единицами измерения кратны степеням 2, объясняется большим теоретическим и практическим значением двоичного кодирования в информатике.
9
10
Экономическая информация о финансово-хозяйственной деятельности предприятий характеризует производственно-хозяйственный процесс, т.е. экономическую деятельность. Эти данные систематизируют и группируют для целей контроля по выполнению планов, использованию ресурсов предприятия.
Характеризуется экономическая информация тремя критериями: синтактикой, семантикой и прагматикой.
Синтактика — структура экономической информации (символы алфавита языка информации, слова, предложения, правила их построения).
Семантика — содержание экономической информации.
Прагматика — полезность экономической информации, т.е. ее свойства (достоверность, своевременность, удобство восприятия и т. п.).
Экономическая информация имеет следующие особенности: отражает деятельность звеньев народного хозяйства (предприятий, объединений, отрасли) с помощью натуральных, условных и стоимостных измерителей; фиксируется как дискретная величина на материальных носителях (документах, магнитных лентах, дисках и т. п.); имеет линейную форму (записывается в виде строк). Кроме того, она является массовой и объемной, требует многоразовой группировки, арифметической и логической обработки для управления; бывает цифровой, буквенно-цифровой, алфавитной (буквенной); характеризуется продолжительностью хранения, цикличностью в возникновении и обработке в установленных временных пределах; выступает как активная относительно влияния на хозяйственный механизм.
Структура экономической информации обусловлена ее назначением в управлении и контроле хозяйственной деятельности. В зависимости от целей и задач влияния на управляемый объект экономическую информацию группируют в разные информационные совокупности, количественные изменения которых определяются номенклатурами, состоящими из позиций. В номенклатуру включают полный перечень предварительно сгруппированных позиций по определенной качественной однородности. Например, номенклатура статей затрат на производство промышленной продукции (сырье, материалы, заработная плата производственных рабочих, общепроизводственные расходы и др.) включает позиции по видам сырья и материалов, основной и дополнительной заработной плате и т. п. Эта информация используется при контроле выполнения сметы затрат на производство продукции, выявлении непроизводительных расходов и разработке мер по предупреждению разных потерь. Аналогично используется информация о содержании и структуре издержек в торговле и общественном питании.
Для удобства группировки информации каждой позиции номенклатуры издержек паивают условные цифровые обозначения в виде кода (01 — «Расходы на железнодорожные, водные и воздушные перевозки», 11 — «Расходы на торговую рекламу», 18 — «Расходы на тару» и др.).
Номенклатура и ее позиции — это определенная система экономических показателей, которые являются объектами контроля и аудита.
Экономический показатель — это информационная совокупность с минимальным составом реквизитов (признаков и реквизитов), оснований, например, показатель «цена товара» состоит из одного основания — «собственно цена» и нескольких признаков: «наименование, рост, размер», «номенклатурный номер», «обозначение единицы товара» и пр.
Функционирование автоматизированных систем обработки информации (АСОИ) основывается на машинном преобразовании информации о хозяйственной деятельности предприятий. АСОИ используются в контрольно-аудиторском процессе в связи с ростом объемов информации до таких пределов, когда комплексно контролировать производственную и финансово-хозяйственную деятельность предприятия без ЭВМ невозможно.
Система машинного преобразования информации состоит из таких элементов: операция, информационная продукция, стадия обработки, информационная процедура, стадия обработки, информационный участок, информационный поток.
Операция — это любое элементарное или сложное действие над информацией, направленное на ее трансформацию (преобразование) или передачу. Совокупность операций одного типа называют информационной процедурой. Последовательность выполнения процедур принято называть стадиями обработки. Однородные взаимосвязанные процессы по формированию и преобразованию информации, имеющие информационную самостоятельность в пределах информационных совокупностей, — это информационные участки. Целенаправленное перемещение информации или документов в пределах информационной системы за тот или иной период называется информационным потоком.
Машинная обработка информации основывается на упорядочении массивов информации путем создания информационной системы. Массив — это основная информационная совокупность, которая принимает участие в машинной обработке (производство продукции за месяц, табельные номера работников и др.). Совокупность данных об отдельном объекте множества составляет определенную информационную совокупность (поступление материалов на склад, начисление заработной платы за месяц и пр.).
Структура информационной системы включает в себя блок данных, файл, секцию файла, набор файлов, сгруппированных в банке данных.
Блок данных — это совокупность данных, которые записываются или считываются техническими средствами как одно целое.
Файл — совокупность данных, которая состоит из логических записей, касающихся одной темы (поступления товаров на базу, отпуска товаров в магазины).
Секция — часть файла, которая записывается на один том данных, представляющий собой съемную физическую единицу носителя данных (например, катушка магнитной ленты, на которой зафиксировано поступление сырья и материалов от одного поставщика).
Набор файлов состоит из совокупности родственных файлов, т.е. тех, которые с определенной целью по выбранным признакам могут быть объединены в общую группу (файлы перемещения товаров на базе).
Банк данных является совокупностью наборов файлов, сгруппированных в массивах данных.
Если предприятие выполняет внешнеэкономические операции, то необходимо пользоваться международными стандартами кодификации данных при проведении аудита его деятельности.
Известно, что в практике международных организаций в процессе обмена информацией и при решении задач международных экономических, научно-технических, культурных, спортивных и других связей используются сокращения названий стран — блоки буквенной и цифровой идентификации стран. Международная организация по стандартизации (ИСО) разработала коды для каждой страны. Для Украины традиционно используют такие блоки буквенной и цифровой идентификации:
двухбуквенный алфавитный код Украины — UA, рекомендованный ИСО для международных обменов, который позволяет создавать визуальную ассоциацию с общепринятым названием Украины без какой-либо ссылки на ее географическое положение или статус;
трехбуквенный алфавитный код Украины — UKR — используется в особых случаях как более целесообразный;
цифровой порядковый код — 804 — поен Статистическим бюро Организации Объединенных Наций и используется для статистических расчетов.
Эти блоки зафиксированы для использования Международной организацией по стандартизации в стандарте ИСО 3166—88 «Коды для представления названий стран».
Организация Объединенных Наций в работе также использует эти блоки.
Принимая во внимание то, что эти блоки хорошо известны в мире, а также с целью унификации сокращенного названия нашей страны Госстандарт Украины по согласованию с Министерством иностранных дел Украины считает целесообразным закрепить в законодательном порядке использование министерствами, ведомствами, предприятиями и учреждениями алфавитных кодов UA и UKR и цифрового порядкового кода 804.
Экономическая информация, характеризующая состояние объекта контроля на нынешний момент, называется оперативной, а в течение планового периода — текущей. Первая используется при контроле хозяйственных процессов в момент проведения их (количество и качество продукции конкретной партии поставки и др.), вторая — после завершения (после окончания месяца, квартала). Так, качество продукции контролируют ежедневно и принимают оперативные решения, чтобы не допустить поступления в торговлю товаров, не соответствующих стандартам, деформированных и пр., а меры по укреплению договорной дисциплины можно разрабатывать после окончания месяца. Таким образом, оперативная информация используется для текущего (оперативного) контроля и регулирования процессов хозяйственной деятельности в случаях возникновения отрицательных отклонений от запланированных результатов, для выборочных наблюдений за отдельными хозяйственными операциями, экспериментальной проверки норм расходования сырья и материалов, хронометражных наблюдений за работой оборудования и т. п.
Оперативная информация о хозяйственных процессах является дискретной, поэтому потребность в ней возникает периодически. Не всегда ее фиксируют на материальных носителях с надлежащим оформлением подписями лиц, принимающих участие в осуществлении хозяйственной операции. Оперативную информацию можно группировать с помощью электрических импульсов, датчиков, передавать органам управления телефонными каналами, радиорелейными линиями и др. Поэтому в процессе контроля и ревизии ее используют в сочетании с текущей, проверяют достоверность, группируют в информационные совокупности.
Текущая экономическая информация обобщает результаты производственной и финансово-хозяйственной деятельности предприятия и его производственных единиц в системе бухгалтерского учета непрерывно по отчетным периодам в течение календарного года (месяц, квартал). Ее отражают в бухгалтерской и статистической отчетности и используют для контроля выполнения планов, напряженности их, исследования факторов, отрицательно влияющих на результаты деятельности предприятия и его подразделений, а также для ревизии использования материальных, трудовых и финансовых ресурсов, сохранности общественной собственности.
Текущая экономическая информация о состоянии и использовании объекта контроля называется первичной. В процессе обработки для целей контроля и аудита ее преобразуют во вторичную. Она может быть также промежуточной и результатной. Так, информация о расходах конкретного вида материалов на производство, отражаемая в количественных и качественных измерителях и лимитно-заборной карте или требовании на расходование материалов (первичном документе), является первичной. Эта же информация, записанная в регистры бухгалтерского учета, является вторичной, а сгруппированная в накопительных ведомостях (машинограммах) в течение месяца по отдельным видам изделий — промежуточной, систематизированная по статьям калькуляции после окончания квартала вместе с информацией о других затратах, касающихся этого изделия, по которой рассчитана его себестоимость, — результатной.
Для контроля и аудита основной является первичная информация о хозяйственных процессах и явлениях, поскольку ее используют для установления законности расходования ресурсов и сохранности ценностей на предприятии, определения материально ответственных и должностных лиц, виновных в причиненных убытках. Поэтому к ней выдвигают дополнительные требования — достоверность информации об объекте контроля и явлениях хозяйственной деятельности. От достоверности ее зависит качество промежуточной и результатной информации, отраженной в системе бухгалтерского учета, а также полученной в процессе проведения аудита.
Существуют также другие признаки классификации экономической информации, которую исследуют в процессе аудита по: способу отражения — текстовая, цифровая, алфавитная, алфавитно-цифровая, графическая (чертежи, схемы, графики); насыщенности данных — недостаточная, достаточная, излишняя; полезности использования — полезная, бесполезная; способу подачи — директивная, распорядительная, отчетная; признакам обработки — обрабатываемая и необрабатываемая.
В зависимости от функций экономическую информацию делят по функциям использования в информационном обеспечении хозяйственного механизма предприятия, объединения, отрасли, а также в контроле и аудите.
Информацию, используемую для планирования производственной и финансово-хозяйственной деятельности во всех звеньях народного хозяйства и содержащую в себе плановые задания, называют плановой, или нормативно-справочной, а регламентирующую эту деятельность — директивной. Разновидностью нормативной является расценочная, регулирующая (плановая), договорная и справочная информация.
Информацию, которая характеризует хозяйственные процессы, отраженные в бухгалтерском учете производственной и финансово-хозяйственной деятельности предприятий, объединений, используют как основной источник данных при проведении аудита. Ее называют учетно-экономической, а по содержанию — фактографической.
В процессе аудита учетно-экономическую информацию преобразовывают с использованием вычислительной техники в информационные совокупности, характеризующие выявленные недостатки в деятельности контролируемого предприятия, объединения. Если другие виды экономической информации (плановую, договорную и др.) можно представить в виде схем, графиков, диаграмм и другими способами, то учетно-экономическую — только в виде документа или его заменителя — материального носителя (документов — магнитных жетонов, дуаль-карт, магнитных карточек и лент и пр.).
В совокупности учетно-экономическая информация отражает определенные хозяйственные операции с помощью данных, которые постоянно изменяются. Поэтому их относят к переменной информации.
В зависимости от степени информационной детализации объектов учета различают аналитическую и синтетическую учетно-экономическую информацию. Аудит исследует объекты контроля по данным учетно-экономической информации, сформированной на аналитических счетах бухгалтерского учета, а синтетическую — на синтетических счетах. Так, исследуя дебиторскую задолженность по подотчетным лицам, ревизия по данным синтетического счета «Подотчетные лица» устанавливает общую сумму задолженности в динамике за контролируемый период (синтетическая информация). Потом по данным аналитических счетов устанавливают, когда и по какому конкретному подотчетному лицу возникла дебиторская задолженность, ее сумму, причину непогашения (аналитическая информация). Выводы аудитор делает на основе синтетической и аналитической информации.
По объекту аудита учетно-экономическую информацию делят на внутреннюю и внешнюю, входящую и исходящую, оперативную и текущую. Информация о контролируемом объекте (предприятие, объединение), образуемая на самом объекте, называется внутренней, а за его пределами — внешней. Информация, поступающая на контролируемый объект, является входящей, а от него — исходящей.
По стабильности использования или хранения экономическую информацию делят на условно-постоянную (постоянную) и переменную. Информация, используемая хозяйственным механизмом без существенных изменений в течение нескольких отчетных периодов (квартал, год), называется условно-постоянной, или постоянной; в течение месяца — переменной. Такое деление особенно важно при использовании ЭВМ в контрольно-ревизионном процессе, так как позволяет интенсифицировать труд аудиторов благодаря уменьшению объемов информации, готовящейся вручную. Так, задание к государственному заказу является постоянной информацией на год с разбиением ее по кварталам и месяцам, вводится в ЭВМ один раз и используется для контроля выполнения заказа в целом, по ассортименту и другим показателям по отчетным периодам, при этом учитывается переменная информация (производство продукции за день, декаду, месяц).
Экономическую информацию для целей контроля за ходом выполнения планов на предприятиях собирают много работников, а полезность ее иногда минимальна. Причиной обесценивания данных является то, что полученная информация часто не вкладывается в лаг управления. Новая производственная ситуация наступает раньше, чем приняты корректирующие решения в предыдущей ситуации. В связи с этим из-за того, что нет оперативной информации, нельзя обеспечить надежное функционирование контроля на разных уровнях управления, а следовательно, принимать для этих целей научно обоснованные решения.
Решение проблемы информационного обеспечения финансово-хозяйственного контроля состоит в повышении оперативности информации, используемой для управления, с помощью быстродействующих ЭВМ.
Прогрессивной альтернативой решения этой проблемы является создание информационного банка данных на внешних запоминающих приборах ЭВМ, обеспечивающих информационные потребности финансово-хозяйственного контроля в отрасли. Распределение информационной емкости банка по уровням управления отраслью можно представить в виде пирамиды, из которой видно, что в общем объеме экономической информации, используемой в хозяйственном механизме отрасли, учетно-экономическая информация на первом уровне составляет 65 % ( 8.2).
К вершине пирамиды, т.е. на более высоком уровне иерархии управления, потребность в первичной учетно-экономической информации уменьшается, поскольку существует возможность использовать информацию нижних уровней управления.
Следовательно, изучая информационный аспект финансово-хозяйственного контроля, можно сделать вывод, что учетно-экономическая информация формируется в основе пирамиды и является базой информационного банка данных для принятия решений на разных уровнях управления отраслью. Поэтому ее необходимо использовать прежде всего при осуществлении контроля в отрасли.
Для рационального использования банка данных ему необходимо придать определенную структуру. Создание структуры информации в банке данных требует решения по меньшей мере трех проблем методического характера. Первая состоит в том, чтобы установить информационные потребности финансово-хозяйственного контроля по уровням управления, определить, какие из потенциально возможных информационных совокупностей действительно необходимы для проведения комплексной ревизии и аудита предприятия. Вторая проблема состоит в определении объема данных, их назначения, получении информации, где они хранятся и как их получить ревизорам, аудиторам. Третья проблема — это установление взаимоотношений между элементами информационного банка данных. Например, информация о сырьевых ресурсах в номенклатуре может быть элементом банка данных, который используется при контроле обеспечения плана производства сырьем, удовлетворения покупательского спроса, выполнения плана товарооборота, насыщенности товарами рынка и т. п. Следовательно, одна и та же информация может быть связана со многими массивами банка данных, т.е. с разными методическими приемами использования экономической информации в финансово-хозяйственном контроле и аудите.
12
Компьютер - это электронное вычислительное устройство. Существуют различные классификации компьютеров - по назначению, по технической совместимости, по программной совместимости, по размерам и т.д. Мы приведем классификацию, которую используют ведущие производители компьютеров:
Суперкомпьютеры
Мэйнфреймы
Серверы
Персональные компьютеры
настольные
переносные
наладонные
Суперкомпьютеры
Суперкомпьютеры - это большие компьютеры, которые создаются для задач, требующих больших вычислений, таких как определение координаты далекой звезды или галактики, моделирования климата, составления карт нефтяных и газовых месторождений и т.д.
Суперкомпьютеры - это штучный продукт, они создаются для решения конкретных задач заказчика. Но, составляющие элементы суперкомпьютера являются серийными.
Суперкомпьютеры состоят из сотен процессоров, имеют большую оперативную память и высокое быстродействие. Они занимают большие залы по площади равные 2-3 баскетбольным площадкам.
Многие суперкомпьютеры создаются по кластерной технологии (Cluster). По этой технологии компьютер строится из нескольких десятков серверов, которые работают как единая система. Кластерные суперкомпьютеры легко масштабируются и позволяют создавать дублирующие вычислительные линии, что бывает необходимым, когда вычисления, например, моделируют процессы в реальном времени и сбои недопустимы.
Быстродействие компьютеров измеряется в единицах, которые называются ФЛОПС (FLOPS - Floating Point Operations Per Second).
ФЛОПС - количеством арифметических операций в секунду.
Кратные единицы: МегаФЛОПС, ГигаФЛОПС и ТераФЛОПС.
МегаФЛОПС (МФЛОПС) - 1 миллион арифметических операций в секунду.
ГигаФЛОПС (ГФЛОПС) - 1 миллиард арифметических операций в секунду.
ТераФЛОПС (ТФЛОПС) - 1 триллион арифметических операций в секунду.
Мэйнфреймы
Мэйнфреймы - это большие компьютеры, с высоким быстродействием и большими вычислительными ресурсами, которые могут обрабатывать большое количество данных и выполнять обработку запросов одновременно нескольких тысяч пользователей.
Мэйнфреймы выполнены с избыточными техническими характеристиками, что делает их очень надежными.
Физически мэйнфреймы имеют один корпус - системный блок размером со шкаф, к которому могут подключаться терминалы (терминал состоит из монитора и клавиатуры).
используются мэйнфреймы для хранения и обработки больших баз данных, а также крупных web-узлов с большим количеством одновременных обращений.
Серверы
Серверы - это компьютеры, которые служат центральными узлами в компьютерных сетях. На серверах устанавливается программное обеспечение, позволяющее управлять работой сети.
На серверах хранится информация, которой могут пользоваться все компьютеры, подключенные к сети. От сервера зависит работоспособность всей сети и сохранность баз данных и другой информации, поэтому серверы имеют несколько резервых дублирующих систем хранения данных, электропитания, возможность замены неисправных блоков без прерывания работы. Серверы могут содержать от нескольких процессоров до нескольких десятков процессоров.
По технологической совместимости серверы бывают IBM-совместимыми и Macintosh-совместимыми.
Персональные компьютеры
Персональные компьютеры - это компьютеры, которые могут использоваться одним человеком автономно, независимо от других компьютеров. Персональные компьютеры могут быть настольными, переносными и карманными.
По технологической и программной совместимости персональные компьютеры бывают IBM-совместимыми и Macintosh-совместимыми.
Настольные персональные компьютеры
Настольные персональные компьютеры, как это ясно из названия, используются в стационарных условиях комнаты или кабинета и располагаются на рабочем столе.
Настольные компьютеры состоят из нескольких блоков - системного блока, монитора, клавиатуры и мышки, которые соединены между собой.
Системные блоки бывают горизонтальными и вертикальными. В некоторых моделях монитор и системный блок совмещены
Переносные персональные компьютеры
Кроме настольных компьютеров существуют переносные компьютеры. Первые переносные компьютеры называли лаптопы (laptop - лежащий на коленях). Современные переносные компьютеры называют английским словом "ноутбук" (notebook) или блокнотный компьютер. Ноутбук имеет жидкокристаллический дисплей, клавиатуру, совмещенную с системным блоком, дисковод для 3,5" дискет и оптический дисковод (CD-ROM, CD-RW или комбинированный DVD+RW). Кроме того, обязательно имеется манипулятор для управления курсором. По размеру ноутбуки такие, что легко помещаются в портфель.
Наладонные персональные компьютеры
Карманные переносные компьютеры помещаются на ладони и их так и называют - наладонники или по-английски - палмтоп, что означает – лежащий на ладони. В этих компьютерах программы занесены в микросхемы. В набор программ входит операционная система, текстовый и графический редакторы, система баз данных и электронные таблицы, программы для работы в Интернете. Эти компьютеры позволяют обрабатывать документы, вести базы данных, производить вычисления, распечатывать документы, записывать их на дискету, работать в Интернете, но установить новые программы нельзя.
Кроме палмтопов есть карманные компьютеры, которые называются PDA - personal digital assistent - личный цифровой ассистент. Эти компьютеры не имеют клавиатуры. Они оснащены сенсорным экраном и информация вводится на экран при помощи специальной указки-стека.
Общее название карманных компьютеров - handhold computers - компьютеры, которые держат в руках.
Переносной и карманный компьютеры удобны для использования в поездках.
13
Архитектура вычислительной машины (Архитектура ЭВМ , англ. Computer architecture ) — концептуальная структура вычислительной машины[1] , определяющая проведение обработки информации и включающая методы преобразования информации в данные и принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.[2]
В настоящее время наибольшее распространение в ЭВМ получили 2 типа архитектуры: принстонская ( фон Неймана ) и гарвардская . Обе они выделяют 2 основных узла ЭВМ: центральный процессор и память компьютера. Различие заключается в структуре памяти: в принстонской архитектуре программы и данные хранятся в одном массиве памяти и передаются в процессор по одному каналу, тогда как гарвардская архитектура предусматривает отдельные хранилища и потоки передачи для команд и данных.
В более подробное описание, определяющее конкретную архитектуру, также входят: структурная схема ЭВМ, средства и способы доступа к элементам этой структурной схемы, организация и разрядность интерфейсов ЭВМ, набор и доступность регистров, организация памяти и способы её адресации, набор и формат машинных команд процессора, способы представления и форматы данных, правила обработки прерываний.
По перечисленным признакам и их сочетаниям среди архитектур выделяют:
По разрядности интерфейсов и машинных слов: 8-, 16-, 32-, 64-, 128- разрядные (ряд ЭВМ имеет и иные разрядности);
По особенностям набора регистров, формата команд и данных: CISC, RISC, VLIW;
По количеству центральных процессоров: однопроцессорные, многопроцессорные, суперскалярные;
многопроцессорные по принципу взаимодействия с памятью: симметричные многопроцессорные (SMP), масcивно-параллельные (MPP), распределенные.
Принципы фон Неймана.
Принципы фон Неймана - общие принципы, положенные в основу современных компьютеров:
-1- принцип программного управления, согласно которому программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором друг за другом в определенной последовательности;
-2- принцип однородности памяти, согласно которому программы и данные хранятся в одной и той же памяти;
-3- принцип адресности, согласно которому основная память состоит из перенумерованных ячеек и процессору в любой момент времени доступна любая ячейка.

14-19
ппара́тное обеспече́ние [1] (англ. hardware (́ha:dwεə), жарг. «железо») — электронные и/или механические части вычислительного устройства (компьютер, ЭВМ, микроЭВМ и тд.), исключая его программное обеспечение и данные (информация, которую он хранит и обрабатывает).
Аппара́тное обеспече́ние [2] - комплекс электронных, электрических и механических устройств, входящих в состав системы или сети. Аппаратное обеспечение включает: - компьютеры и логические устройства; - внешние устройства и диагностическую аппаратуру; - энергетическое оборудование, батареи и аккумуляторы.
Персональным компьютером (ПК) называют электронную вычислительную машину (ЭВМ), рассчитанную на одного пользователя и управляемую одним человеком.
Современные ПК характеризуются:
· небольшими размерами (ПК размещается на рабочем столе, оставляя место для телефонного аппарата, книг, тетрадей и т.д.),
· возможностью для пользователя работать с ПК лично, без посредничества профессионального программиста,
· малым потреблением электрической энергии,
· удобством и комфортностью общения пользователя и ПК.
Благодаря развитию локальных и глобальных вычислительных сетей пользователь ПК может по ним получать любые справки из любых библиотек, информационных центров как своего региона, так и страны и всего мира.
ЭВМ выполняют две основные функции:
· обработка и хранение информации
· обмен информацией с внешними объектами.
Выполнение этих функций осуществляется с помощью двух компонентов ЭВМ: программного обеспечения и аппаратного обеспечения.
Под аппаратным обеспечением понимают обычно все узлы, модули и блоки, составляющие компьютер или компьютерную систему. В современных компьютерах используется так называемая «открытая архитектура», т.е. состав аппаратного обеспечения компьютера можно изменить, поменяв один из модулей, или расширить, вставив дополнительный модуль.
Аппаратное обеспечение современных ПК включает в себя следующее:
· системный блок,
· устройства ввода информации в ПК (например, клавиатура),
· устройства вывода информации из ПК (например, монитор).
Системный блок, клавиатура и монитор вместе составляют персональный компьютер в минимальной конфигурации, т.е. позволяют работать с информацией на компьютере (рис 1).
Корпуса системных блоков бывают нескольких типов: вертикальный (tower), горизонтальный (desktop), моноблок (системный блок и монитор в одном корпусе). Существуют переносные компьютеры типа Notebook (ноутбук), предназначенные для работы от автономной батареи.
Внутри системного блока располагаются:
· источник питания,
· материнская (системная) плата
· процессор,
· внутренняя память,
· жесткий диск,
· накопитель гибких дисков.
В системном блоке современных ПК почти всегда присутствуют также:
· накопитель CD–ROM,
· звуковая карта,
· сетевая карта.
Структурная схема ПК представлена на рис 2.
Процессор Внутренняя память
Устройства
регистры АЛУ УУ ОЗУ ПЗУ Ввода-вывода
С и с т е м н а я ш и н а
Рис.2. Структурная схема ПК.
. Процессор
Процессор – это «мозг» любого компьютера. Процессор производит все вычисления (арифметические и логические операции), взаимодействует с памятью и осуществляет управление всеми компонентами ПК. Таким образом, процессор включает в себя следующие части:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ),
· устройство управления (УУ).
· внутренние регистры – ячейки памяти внутри кристалла процессора, предназначенные для хранения промежуточной информации.
Важнейшими характеристиками процессора, определяющими его производительность (количество операций в единицу времени) являются: тактовая частота, разрядность, объем адресуемой памяти.
Тактовая частота определяет скорость выполнения операций в процессоре. При повышении тактовой частоты увеличивается производительность процессора. Современные процессоры имеют тактовые частоты 400-1000 МГц и более.
Разрядность обрабатываемых данных – количество бит информации, одновременно вводимой в процессор и выводимой из него. Чем больше разрядность, тем больше информации может обработать процессор в единицу времени. Разрядность современных процессоров – 32 и 64 бит.
Объем адресуемой памяти (адресное пространство)– максимальное число ячеек основной памяти, которое может быть непосредственно адресовано процессором. Т.к. современные процессоры имеют размер шины адреса 32 бита, то объем адресуемой памяти у них 4 Гбайт.
Хотите создать по-настоящему уникальный и прибыльный интернет-магазин, который будет привлекать клиентов?
Создание интернет-магазина поможет вам стремительно развивать свой бизнес, увеличить количество продаж, а самое главное, получать высокую прибыль!
© 2014 - 2017 BigLib.info — это сокращение от Big Library (большая библиотека).
Целью создания этого сайта было сделать литературу доступной для всех, кто желает ее читать.
Использование любых материалов сайта без согласования с администрацией запрещено.
Обратная связь