Информатика

Вступление. Эргономика рабочего места пользователя персонального компьютера
Тема 1. Информационное общество и информатизация
Тема 2. Основные понятия автоматизированной обработки информации
Тема 3. Состав и структура персональных электронно-вычислительных машин и вычислительных систем
ТЕМЫ ДИСЦИПЛИНЫ

Эргономика рабочего места

Работа на ПК

Тема 1. Информатизация и информационное общество

1. Информатизация и информационное общество
Учебные вопросы темы

Макарова Н. , Николайчук Г., Титова Ю. Информатика и ИКТ. 11 класс. Базовый уровень. – Питер, 2012. – 224 с.
Семакин И.Г., Хеннер Е.К. Информатика и ИКТ. Базовый уровень: учебник для 10-11 классов- 6 изд. - М. : БИНИКОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 246 с.
Е. В.Михеева. Информационные технологии в профессиональной деятельности : учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. — М.: «Академия», 2013. — 384 с.
Литература к теме 1

Переход к информационному обществу

Технологические: информационные технологии широко применяются в производстве, учреждениях, системе образования и в быту.
Социальные: информационные процессы выступают в качестве важного стимулятора изменения качества жизни.
Экономические: информация составляет ключевой фактор в экономике в качестве ресурса, услуг, товара, источника добавленной стоимости и занятости.
Политические: свобода информации ведет к политическому процессу, который характеризуется растущим участием и консенсусом между различными классами и социальными слоями населения.
Культурные: признание культурной ценности информации.
Характеристики информационного общества

направленный процесс перехода к информационному обществу.
Информатизация –

Этапы информатизации

Средства информатизации

Тема 2. Основные понятия автоматизированной обработки информации

Информация, данные, знания
Информационные процессы
Принципы автоматизированной обработки информации
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ

Макарова Н. , Николайчук Г., Титова Ю. Информатика и ИКТ. 11 класс. Базовый уровень. – Питер, 2012. – 224 с.
Е. В.Михеева. Информационные технологии в профессиональной деятельности : учеб. пособие для студ. сред. проф. образования. — М.: «Академия», 2013. — 384 с.
Литература к теме 2

2.1 Информация, данные, знания

Норберт Винер
1894 – 1964
Информация
Клод Шеннон
1916 – 2001

сведения о фактах, событиях, явлениях окружающего мира
Информация – это

Более конкретно

Свойства информации

Измерение и меры информации

1 бит позволяет
описать 1 из 2 возможных состояния системы
1 байт = 8 бит позволяет описать
одно из 256 возможных состояний системы
1КБт = 1024 байт ≈ 1000Бт
1МБт = 1024 КБт ≈ 1 млн Бт
1ГБт = 1024 МБт ≈ 1 млд Бт
1 ТБт = 1024 ГБт ≈ 1 трил Бт
Единицы измерения объема данных

Классификация данных по форме представления

2.2 Информационные процессы

Информационные процессы –
это действия (последовательность операций), совершаемые над информацией.

Информационные процессы в обществе
Каналы связи

Информационные процессы в обществе
Каналы связи

Сообщение как материальная форма представления информации

Формальный язык 1 = {страхователь, страховой случай, страховая премия…..}
…….
Алфавит 1 = {>, <, = ,<>, …}
Алфавит 2 = {0, 1, 2, 3, …9}
Для кодирования информации используют формальные языки и алфавиты

Числовая информации – двоичный код (система счисления)
Текстовая информация – таблицы символов, в которых знак заменяется на число
Графическая информация (пиксельная) – код цвета и положение пикселя
Звуковая информация – оцифровка и дискредитация
Видео – набор графических кадров и скорость их смены
Кодирование информации в ЭВМ

Кодирование чисел
5 = 1+ 4 = 1 + 2^2 =1002+12=
= 1012
75 = 1 + 2*37
37 = 1 + 4*9 = 2^2*9
9 = 1+ 23
75 = 1+2(1+2^2(1+2^3) = 1+2^1+2^3+2^6 =
1*2^6 + 0*2^5+ 0*2^4+1*2^3+0*2^2+1*2^1+1*2^0
= 1010112
2.2 Информационные процессы

Кодирование чисел
16-ричная система
0 1 2 … 9 A B C D E F
В 10-й … 10 11 12 13 14 15
В 2-й 1010… 1111

Кодирование текста
Национальные кодировки
1 знак = 1 байт ; всего 256 знаков
латиница + дополнительные знаки + национальный алфавит

Стандарт КОИ8-р
Стандарт Windows-1251

Стандарт КОИ8-р
Стандарт КОИ8-р

16-битовая версия (2^16 = 65 536 значений), где кодируются все современные алфавиты.
Unicode

Лекция 8
п⌡п╣п╨я├п╦я▐ 8
Лекция 8
Нарушение кодировки

обработки информации
жений
RGB
(255, 255, 255) (0,0,0) (255, 255, 255) (255, 0, 0)
Кодирование растрового изображения

Кодирование (оцифровка) аудиоинформации
2.2 Информационные процессы

Передача информации

которая помогает обнаруживать и исправлять ошибки.
Широко известными методами являются
передача в контексте;
дублирование сообщений;
передача с переспросом.
Для борьбы с помехами добавляется "полезная" избыточность,

Процесс накопления данных

Процесс обработки включает
преобразование данных
отображение информации, предоставляемой пользователю (потребителю)
Обработка информации (данных)

1.3 Принципы автоматизированной обработки информации

Обработка информации

Постановка задачи;
моделирование и формализация задачи;
выбор и обоснование метода решения;
алгоритмизация вычислительного процесса;
составление программы;
отладка программы;
решение задачи на ЭВМ;
анализ результатов
Этапы подготовки и решения задач на ЭВМ

Модель – некоторое упрощенное подобие реального объекта, который отражает существенные особенности (свойства) изучаемого реального объекта, явления или процесса
Моделирование – метод познания, состоящий в создании и исследовании моделей. Т.е. исследование объектов путем построения и изучения моделей
Формализация – процесс построения информационных моделей с помощью формальных языков
Определения

Логика – наука о законах и формах мышления
1.3.1 Математическая логика как
формальный язык

Зенон
АПОРИЯ ЗЕНОНА
« Быстроногий Ахиллес никогда не догонит неторопливую черепаху, если в начале движения черепаха находится впереди Ахиллеса»

Аристотель
Закон тождества — понятие должно употребляться
в одном и том же значении в ходе рассуждений;
Закон противоречия —
не противоречь сам себе;
Закон исключенного третьего
а или не-а истинно, третьего не дано.

Высказывание (суждение) – некоторое предложение, которое может быть истинно (верно) или ложно
Утверждение – суждение, которое требуется доказать или опровергнуть

Рассуждение – цепочка высказываний или утверждений, определенным образом связанных друг с другом
Умозаключение – логическая операция, в результате которой из одного или нескольких данных суждений получается (выводится) новое суждение

Логическое выражение – запись или устное утверждение, в которое, наряду с постоянными, обязательно входят переменные величины (объекты).
Логическое выражение может принимать одно из двух возможных значений: ИСТИНА (логическая 1) или ЛОЖЬ (логический 0)

Сложное логическое выражение – логическое выражение, составленное из одного или нескольких простых (или сложных) логических выражений, связанных с помощью логических операций.

Логические операции и
таблицы истинности
a, b, c – высказывания
Ʌ, V, ¬, →, ↔ – операции

Ʌ Логическое И, Конъюнкция
Логическое умножение

V Логическое ИЛИ, дизъюнкция Логическое сложение

¬ НЕ (НЕВЕРНО, ЧТО), инверсия

→ ЕСЛИ…, ТО…, импликация

1.3 ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ
↔ ТОГДА, и ТОЛЬКО ТОГДА…, ЭКВИВАЛЕНТНОСТЬ

1. инверсия
2. конъюнкция
3. дизъюнкция
4. импликация
5. эквивалентность
Для изменения указанного порядка выполнения операций используются скобки
Порядок выполнения логических операций
в сложном логическом выражении:
.

а V ¬a – тавтология (всегда ИСТИНА)
а Ʌ ¬a – противоречие (всегда ЛОЖЬ)

Количество строк = 2n + строка для заголовка
(n - количество простых высказываний)
Количество столбцов = количество переменных + количество логических операций
При построении таблицы надо учитывать все возможные сочетания логических значений 0 и 1 исходных выражений. Затем – определить порядок действий и составить таблицу с учетом таблиц истинности основных логических операций.
Построение таблиц истинности для
сложных выражений

Количество строк = 23 + 1 = 9
Количество столбцов = 3+3 = 6
Таблица истинности для d = ¬aɅ(bVc)

Таблица истинности для d = ¬aɅ(bVc)

Алгоритм - предписание, однозначно задающее процесс преобразования исходной информации в виде последовательности элементарных дискретных шагов, приводящих за конечное число их применений к результату
1.3.2 Алгоритмы и способы их описания

набор объектов, составляющих совокупность возможных исходных данных, промежуточных и конечных результатов;
правило начала;
правило непосредственной переработки информации (описание последовательности действий);
правило окончания;
правило извлечения результатов
Для задания алгоритма необходимо описать следующие его элементы:
.

Блок-схемы алгоритмов:
.

Блок-схемы алгоритмов:
.

Блок-схемы алгоритмов:
.

Блок-схемы алгоритмов:
.

Блок-схемы алгоритмов:
.

Блок-схемы алгоритмов:
.

Линейный:

Ветвящийся:
.

Циклические процессы
.

Циклические процессы
.

Тема 3. Состав и структура персональных электронно-вычислительных машин и вычислительных систем

Принципы устройства компьютеров
Процессор
Память
Устройства ввода и вывода
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ

Макарова Н. , Николайчук Г., Титова Ю. Информатика и ИКТ. 11 класс. Базовый уровень. – Питер, 2012. – 224 с.
Семакин И.Г., Хеннер Е.К. Информатика и ИКТ. Базовый уровень: учебник для 10-11 классов- 6 изд. - М. : БИНИКОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 246 с.
Литература к теме 3

3.1 Принципы устройства компьютеров

А. Беркс, Г. Голдстайн и Дж. фон Нейман:
«Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства» (1946)
состав основных компонентов вычислительной машины
принцип двоичного кодирования
принцип адресности памяти
принцип иерархической (многоуровневой) организации памяти
принцип хранимой программы
принцип программного управления

обрабатывает данные
обеспечивает выполнение программы
временное хранение данных во время обработки
долговременное хранение данных

Все данные хранятся в двоичном коде.
проще устройства для хранения и обработки данных
Троичная ЭВМ «Сетунь» (1959)

оперативная память состоит из отдельных битов
группы соседних битов объединяется в ячейки
каждая ячейка имеет свой адрес (номер)
нумерация ячеек начинается с нуля
за один раз можно прочитать или записать только целую ячейку

RAM = Random Access Memory
чтение данных из ячеек и запись в них в произвольном порядке
ОЗУ – оперативное запоминающее устройство (оперативная память)
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ROM = Read Only Memory
содержит программное обеспечение для загрузки и тестирования компьютера
запись запрещена

Требования к памяти:
большой объём
высокая скорость доступа
Использование несколько уровней памяти:
внутренняя память (небольшой объём, высокое быстродействие)
внешняя память (большой объём, низкое быстродействие)
Кэш-память (сверхбыстрая, очень малый объем)

3.1 Принципы устройства компьютеров
программа – это набор команд
команды выполняются процессором автоматически в определённом порядке
Счётчик адреса команд – это регистр процессора, в котором хранится адрес следующей команды.
IP (Instruction Pointer) в процессорах Intel

Архитектура компьютера – это общие принципы построения конкретного семейства компьютеров (PDP, ЕС ЭВМ, Apple, IBM PC, …).
принципы построения системы команд и их кодирования
форматы данных и особенности их машинного представления
алгоритм выполнения команд программы
способы доступа к памяти и внешним устройствам
возможности изменения конфигурации оборудования
К архитектуре НЕ относятся особенности конкретного компьютера: набор микросхем, тип жёсткого диска, ёмкость памяти, тактовая частота и т.д.

настольные (desktop)
переносные (ноутбуки)
нетбуки (нет привода DVD)

планшетные
смартфоны и карманные персональные компьютеры (КПК)

Типы компьютеров
суперкомпьютеры
«Ломоносов»

Шина (или магистраль) – это группа линий связи для обмена данными между несколькими устройствами компьютера.

Контроллер — это электронная схема для управления внешним устройством и простейшей предварительной обработки данных.

Магистрально-модульная архитектура: набор устройств (модулей) легко расширяется путём подключения к шине (магистрали).
Принцип открытой архитектуры (IBM):
спецификация на шину (детальное описание всех параметров) опубликована
производители могут выпускать новые совместимые устройства
на материнской плате есть стандартные разъёмы
нужны драйвера (программы управления) для каждого устройства

Программно-управляемый обмен – все операции ввода и вывода предусмотрены в программе, их полностью выполняет процессор.
простота
не нужно дополнительное оборудование
процессор долго ждёт медленные устройства

Обмен по прерываниям – внешнее устройство передаёт процессору запрос на обслуживание (прерывание).
процессор прерывает выполнение программы и …
переходит на программу обработки прерывания и …
возвращается к прерванной программе
процессор не ждёт устройства
всю работу выполняет процессор
Контроллер прерываний – использует приоритет различных типов прерываний

Прямой доступ к памяти (ПДП)
DMA = Direct Memory Access
обмен данными выполняет внешнее устройство по команде центрального процессора.
процессор готовит обмен:
программирует контроллер ПДП
контроллер ПДП пересылает данные
процессор загружен минимально
сложность (нужен контроллер ПДП)

3.2 Процессор

Процессор – это устройство, предназначенное для автоматического считывания команд программы, их расшифровки и выполнения.
AЛУ = арифметико-логическое устройство, выполняет обработку данных
УУ = устройство управления, которое управляет выполнением программы и обеспечивает согласованную работу всех узлов компьютера

2 регистра
сумматор
схема управления операциями
Регистр состояния процессора – биты устанавливаются по результату R последней операции
бит Z (zero) – установлен, если R = 0
бит N (negative) – установлен, если R < 0
бит C (carry) – установлен, если произошел перенос
R ≤ 0: N or Z
R ≥ 0: not N

извлечение из памяти очередной команды
расшифровка команды, определение необходимых действий
определение адресов ячеек памяти, где находятся исходные данные
занесение в АЛУ исходных данных
управление выполнением операции
сохранение результата
команда
генератор тактовых импульсов

Для процессоров Intel:
H = High
(старший байт)
L = Low
(младший байт)
Обработка 8-, 16-, 32- и 64-битовых данных.
Есть RBX, RCX, RDX и др…

Тактовая частота — количество тактовых импульсов в секунду.
1 ГГц (гигагерц) = 1 млрд герц
Разрядность — это максимальное количество двоичных разрядов, которые процессор способен обработать за одну команду.
разрядность регистров
разрядность шины данных
разрядность шины адреса R
Величина адресного пространства 2R байтов

3.2 Память

Память — это устройство компьютера, которое используется для записи, хранения и выдачи по запросу команд программы и данных.
внутренняя или основная (для хранения программ и данных в момент решения задачи), ОЗУ и ПЗУ
внешняя или долговременная (… на длительный срок)

Внутренняя память
RAM = Random Access Memory, обращение к ячейкам в любом порядке.
ОЗУ = оперативное запоминающее устройствона триггерах (статическая):
регистры, кэш-память
на полупроводниковых
конденсаторах (динамическая):
большая ёмкость
меньшая стоимость
меньшее быстродействие
потребляет больше электроэнергии

Внутренняя память – ПЗУ
ПЗУ = постоянное запоминающее устройство
первые: информация заносится только на заводе
затем программируемые ПЗУ
затем перепрограммируемые ПЗУ (флэш-память)
Минимальный набор программ:
тестирование компьютера
программа начальной загрузки
программы для обмена данными с клавиатурой, монитором, принтером
В компьютерах IBM PC:
BIOS = Basic Input/Output System

Внешняя память — часть памяти компьютера, которая используется для долговременного хранения программ и данных.
Устройства внешней памяти = накопители:
на магнитных дисках
на оптических дисках
флэш-память
…
контроллер

Внешняя память
данные располагается блоками (на дисках – сектора)
блок данных читается и пишется как единое целое; работать с частью блока невозможно
прежде чем процессор сможет использовать программу или данные, их нужно загрузить из внешней памяти в ОЗУ
обменом данными управляют контроллеры

перфоленты, перфокарты
магнитные ленты, магнитные диски

оптические диски
флэш-память

шина
1. Передача «задания» контроллеру
2. Ввод данных в ОЗУ

процессор
компьютер
объем
быстродействие,
стоимость бита
регистры
ОЗУ
компьютерные сети

Кэш-память
Кэш-память — это память, ускоряющая работу другого (более медленного) типа памяти, за счёт сохранения прочитанных данных на случай повторного обращения к ним.
статическая память (на триггерах)
нет собственных адресов ячеек
кэш программ и данных отдельно
процессор
кэш-память
контроллер кэш-памяти
1-й раз
2-й раз
ОЗУ

Основные характеристики памяти
Информационная ёмкость — это максимально возможный объём данных, который может сохранить данное устройство памяти (Гбайт, Тбайт, …).
Для дисков – форматированная («полезная») ёмкость и неформатированная (+ место для служебной разметки)
Время доступа — интервал времени от момента посылки запроса информации до момента получения результата на шине данных.
ОЗУ – наносекунды(1 нс = 10–9 с)
жёсткие диски — миллисекунды (1 мс = 10–3 с).

Основные характеристики памяти
Средняя скорость передачи данных — это количество передаваемых за единицу времени данных после непосредственного начала операции чтения (Мбайт/с).
для дисков – частота вращения
стоимость 1 бита или стоимость 1 Гбайта

3.3 Устройства ввода и вывода

Устройством ввода называется устройство, которое: позволяет человеку отдавать компьютеру команды и/или выполняет первичное преобразование данных в форму, пригодную для хранения и обработки в компьютере.

Мембранная
Механическая
простая и дешёвая
недолговечна (1-10 млн нажатий)
со временем свойства ухудшаются (залипание, нужны бόльшие усилия)
реакция быстрее
20-50 млн нажатий
характеристики не меняются
дороже
тяжелее
3.3 Устройства ввода и вывода
3.3 Устройства ввода и вывода

Контроллер клавиатуры
опрашивает клавиши; фиксирует их нажатие или отпускание;
хранит скан-коды нескольких последних нажатых или отпущенных клавиш;
посылает требование прерывания центральному процессору, передаёт ему скан-коды;
управляет индикаторами клавиатуры;
диагностика неисправностей клавиатуры
центральный
процессор
контроллер клавиатуры
буфер клавиатуры
прерывание
скан-коды

Мышь (оптическая)
приемное устройство
(адаптер, USB)
Лазерные мыши:
подсветка лазером
более контрастное
изображение
точность выше
Характеристики:
разрешение ≈ 1000 dpi
количество кадров в секунду
(до 10000)
размер кадра (16×16, 32×32)

Трекбол
Сенсорная панель (тачпад)
Трекпоинт
Джойстик
Игровые манипуляторы
мультитач – реакция на касание в нескольких местах одновременно

со слайд-модулем
Сканер – устройство для ввода изображений.
барабанные
планшетные
рулонные
ручные

Сканеры
ppi = pixels per inch, пиксели на дюйм
150-300 ppi – низкое разрешение
300 ppi – сканирование любительских фото
до 5400 ppi – сканирование фотопленки
планшетные – до 5400 ppi рулонные – до 800 ppi
барабанные – до 14400 ppi
на бумаге
в компьютере
1 дюйм = 2,54 см
пиксель
Разрешающая способность — это максимальное количество точек на единицу длины, которые способен различить сканер.

Ввод текста
Для редактирования в текстовом редакторе, нужно распознать символы с помощью специальной программы (> 300 ppi!):
OCR = Optical Character Recognition, оптическое распознавание символов
ABBY FIneReader, CuneiForm

Микрофоны
Датчики
датчик
АЦП
компьютер
101001010101
Веб-камера
Графический планшет

Что такое устройства вывода?
Устройства вывода — это устройства, которые представляют компьютерные данные в форме, доступной для восприятия человеком.
3.3 Устройства ввода и вывода

700707708
Рг2 = ?
АЦПУ = алфавитно-цифровые печатающие устройства

Плоттеры (графопостроители)

Монитор = дисплей + электронные схемы управления
электронно-лучевые
жидкокристаллические (ЖК)
очень малое излучение
малые размеры и вес
потребляют мало
электроэнергии (40 Вт)
нет искажений изображения
хуже цветопередача (чёрный цвет?)
изображение зависит от угла зрения
смазывание изображения
«битые пиксели»
только одно разрешение

Мониторы
управляющий
транзистор
15’’, 17’’, 19’’, …
Разрешение — это количество точек экрана по ширине и по высоте.
1280×1024, 1440×900, 1366×768, …
Соотношение сторон 4:3, 5:4, 16:9
Углы обзора 160° … 178°
Время отклика 2…8 мс

Принтеры
Принтер – устройство для вывода информации на бумагу или пленку.
Разрешающая способность
dpi = dots per inch, точки на дюйм
обычно 300 – 600 dpi
1200 dpi (типографское качество)
Виды принтеров
матричные (красящая лента)
струйные (чернила)
лазерные (порошок)
сублимационные (красящая лента)

Матричные принтеры
Качество печати:
72…300 dpi
текст: до 337 символов в минуту
графика: до 5 мин на страницу!!!
дешевые принтеры и ленты
нетребовательны к бумаге
невысокое качество низкая скорость печати графики
шумят
черно-белые (почти все)

Струйные принтеры
Качество печати:
300…4800 dpi
ч/б: до 30 стр/мин
цвет: до 30 стр/мин
фото 10×15:
от 10 сек
относительно дешевые
качественная печать
мало шумят
большинство – цветные
требовательны к бумаге
дорогие катриджи
чернила расплываются от воды
цвет: CMYK
3.3 Устройства ввода и вывода

Лазерные принтеры
Качество печати:
600…1200 dpi
ч/б: до 50 стр/мин
цвет: до 25 стр/мин
становятся все дешевле
очень качественная печать
мало шумят
есть цветные
требовательны к бумаге
дорогие катриджи
потребляют много электроэнергии
цветные дорогие

качество печати:
300 dpi
(= 4800 dpi)
фото 10×15:
около 1 мин
твердые красители:
256 оттенков каждого цвета, всего 16,7 млн. цветов
печать при нагреве
верхний защитный слой
Сублимация – быстрый переход вещества из твердого состояния в газообразное.
очень качественная печать фото
не выцветает 100 лет
печать прямо с фотоаппарата
специальная бумага и пленки с красками

3D-принтеры
3D-принтер — устройство, которое создает физический объект по слоям на основе его цифровой трёхмерной модели.