информатика
Лекции
1. Введение
ИНФОРМАЦИЯ И ЕЕ РОЛЬ В СОВРЕМЕННОМ ОБЩЕСТВЕ.
ИНФОРМАТИКА- НАУКА, ИЗУЧАЮЩАЯ СПОСОБЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО СОЗДАНИЯ, ХРАНЕНИЯ, ОБРАБОТКИ, ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ПЕРЕДАЧИ И ЗАЩИТЫ ИНФОРМАЦИИ.
ИНФОРМАЦИЯ – ЭТО НАБОР СИМВОЛОВ, ГРАФИЧЕСКИХ ОБРАЗОВ ИЛИ ЗВУКОВЫХ СИГНАЛОВ, НЕСУЩИХ ОПРЕДЕЛЕННУЮ СМЫСЛОВУЮ НАГРУЗКУ.
В развитых странах большинство работающих заняты не в сфере производства, а в той или иной степени занимаются обработкой информации. Поэтому философы называют нашу эпоху постиндустриальной. В 1983 году американский сенатор Г.Харт охарактеризовал этот процесс так: «Мы переходим от экономики, основанной на тяжелой промышленности, к экономике, которая все больше ориентируется на информацию, новейшую технику и технологию, средства связи и услуги..»
2. КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ.
Вся история развития человеческого общества связана с накоплением и обменом информацией (наскальная живопись, письменность, библиотеки, почта, телефон, радио, счеты и механические арифмометры и др.). Коренной перелом в области технологии обработки информации начался после второй мировой войны.
В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электронные лампы. Эти машины занимали громадные залы, весили сотни тонн и расходовали сотни киловатт электроэнергии. Их быстродействие и надежность были низкими, а стоимость достигала 500-700 тысяч долларов.
Появление более мощных и дешевых ЭВМ второго поколения стало возможным благодаря изобретению в 1948 году полупроводниковых устройств- транзисторов. Главный недостаток машин первого и второго поколений заключался в том, что они собирались из большого числа компонент, соединяемых между собой. Точки соединения (пайки) являются самыми ненадежными местами в электронной технике, поэтому эти ЭВМ часто выходили из строя.
В ЭВМ третьего поколения (с середины 60-х годов ХХ века) стали использоваться интегральные микросхемы (чипы)- устройства, содержащие в себе тысячи транзисторов и других элементов, но изготовляемые как единое целое, без сварных или паяных соединений этих элементов между собой. Это привело не только к резкому увеличению надежности ЭВМ, но и к снижению размеров, энергопотребления и стоимости (до 50 тысяч долларов).
История ЭВМ четвертого поколения началась в 1970 году, когда ранее никому не известная американская фирма INTEL создала большую интегральную схему (БИС), содержащую в себе практически всю основную электронику компьютера. Цена одной такой схемы (микропроцессора) составляла всего несколько десятков долларов, что в итоге и привело к снижению цен на ЭВМ до уровня доступных широкому кругу пользователей.
СОВРЕМЕННЫЕ КОМПЬТЕРЫ- ЭТО ЭВМ ЧЕТВЕРТОГО ПОКОЛЕНИЯ, В КОТОРЫХ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ БОЛЬШИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ.
6.ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В КОМПЬЮТЕРЕ И ЕЕ ОБЪЕМ.
ЛЮБОЕ СООБЩЕНИЕ НА ЛЮБОМ ЯЗЫКЕ СОСТОИТ ИЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СИМВОЛОВ- БУКВ, ЦИФР, ЗНАКОВ. Действительно, в каждом языке есть свой алфавит из определенного набора букв (например, в русском- 33 буквы, английском- 26, и т.д.). Из этих букв образуются слова, которые в свою очередь, вместе с цифрами и знаками препинания образуют предложения, в результате чего и создается текстовое сообщение. Не является исключением и язык на котором «говорит» компьютер, только набор букв в этом языке является минимально возможным.
В КОМПЬЮТЕРЕ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ 2 СИМВОЛА- НОЛЬ И ЕДИНИЦА (0 и 1), АНАЛОГИЧНО ТОМУ, КАК В АЗБУКЕ МОРЗЕ ИСПОЛЬЗУЮТСЯ ТОЧКА И ТИРЕ. Действительно, закодировав привычные человеку символы (буквы, цифры, знаки) в виде нулей и единиц (или точек и тире), можно составить, передать и сохранить любое сообщение.
ЭТО СВЯЗАНО С ТЕМ, ЧТО ИНФОРМАЦИЮ, ПРЕДСТАВЛЕННУЮ В ТАКОМ ВИДЕ, ЛЕГКО ТЕХНИЧЕСКИ СМОДЕЛИРОВАТЬ, НАПРИМЕР, В ВИДЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ. Если в какой-то момент времени по проводнику идет ток, то по нему передается единица, если тока нет- ноль. Аналогично, если направление магнитного поля на каком-то участке поверхности магнитного диска одно- на этом участке записан ноль, другое- единица. Если определенный участок поверхности оптического диска отражает лазерный луч- на нем записан ноль, не отражает- единица.
ОБЪЕМ ИНФОРМАЦИИ, НЕОБХОДИМЫЙ ДЛЯ ЗАПОМИНАНИЯ ОДНОГО ИЗ ДВУХ СИМВОЛОВ-0 ИЛИ 1, НАЗЫВАЕТСЯ 1 БИТ (англ. binary digit- двоичная единица). 1 бит- минимально возможный объем информации. Он соответствует промежутку времени, в течение которого по проводнику передается или не передается электрический сигнал, участку поверхности магнитного диска, частицы которого намагничены в том или другом направлении, участку поверхности оптического диска, который отражает или не отражает лазерный луч, одному триггеру, находящемуся в одном из двух возможных состояний.
Итак, если у нас есть один бит, то с его помощью мы можем закодировать один из двух символов- либо 0, либо 1.
3 бита- 8 вариантов;
Продолжая дальше, получим:
4 бита- 16 вариантов,
7 бит- 128 вариантов,
8 бит- 256 вариантов,
9 бит- 512 вариантов,
10 бит- 1024 варианта,
В обычной жизни нам достаточно 150-160 стандартных символов (больших и маленьких русских и латинских букв, цифр, знаков препинания, арифметических действий и т.п.). Если каждому из них будет соответствовать свой код из нулей и единиц, то 7 бит для этого будет недостаточно (7 бит позволят закодировать только 128 различных символов), поэтому используют 8 бит.
ДЛЯ КОДИРОВАНИЯ ОДНОГО ПРИВЫЧНОГО ЧЕЛОВЕКУ СИМВОЛА В КОМПЬЮТЕРЕ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ 8 БИТ, ЧТО ПОЗВОЛЯЕТ ЗАКОДИРОВАТЬ 256 РАЗЛИЧНЫХ СИМВОЛОВ.
СТАНДАРТНЫЙ НАБОР ИЗ 256 СИМВОЛОВ НАЗЫВАЕТСЯ ASCII ( произносится «аски», означает «Американский Стандартный Код для Обмена Информацией»- англ. American Standart Code for Information Interchange).
ОН ВКЛЮЧАЕТ В СЕБЯ БОЛЬШИЕ И МАЛЕНЬКИЕ РУССКИЕ И ЛАТИНСКИЕ БУКВЫ, ЦИФРЫ, ЗНАКИ ПРЕПИНАНИЯ И АРИФМЕТИЧЕСКИХ ДЕЙСТВИЙ И Т.П.
КАЖДОМУ СИМВОЛУ ASCII СООТВЕТСТВУЕТ 8-БИТОВЫЙ ДВОИЧНЫЙ КОД, НАПРИМЕР:
ОБЪЕМ ИНФОРМАЦИИ, НЕОБХОДИМЫЙ ДЛЯ ЗАПОМИНАНИЯ ОДНОГО СИМВОЛА ASCII НАЗЫВАЕТСЯ 1 БАЙТ.
Очевидно что, поскольку под один стандартный ASCII-символ отводится 8 бит,
Остальные единицы объема информации являются производными от байта:
1 КИЛОБАЙТ = 1024 БАЙТА И СООТВЕТСТВУЕТ ПРИМЕРНО ПОЛОВИНЕ СТРАНИЦЫ ТЕКСТА,
1 МЕГАБАЙТ = 1024 КИЛОБАЙТАМ И СООТВЕТСТВУЕТ ПРИМЕРНО 500 СТРАНИЦАМ ТЕКСТА,
1 ГИГАБАЙТ = 1024 МЕГАБАЙТАМ И СООТВЕТСТВУЕТ ПРИМЕРНО 2 КОМПЛЕКТАМ ЭНЦИКЛОПЕДИИ,
1 ТЕРАБАЙТ = 1024 ГИГАБАЙТАМ И СООТВЕТСТВУЕТ ПРИМЕРНО 2000 КОМПЛЕКТАМ ЭНЦИКЛОПЕДИИ.
СКОРОСТЬ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПО ЛИНИЯМ СВЯЗИ ИЗМЕРЯЕТСЯ В БОДАХ.
В частности, если говорят, что пропускная способность какого-то устройства составляет 28 Килобод, то это значит, что с его помощью можно передать по линии связи около 28 тысяч нулей и единиц за одну секунду.
7. СЖАТИЕ ИНФОРМАЦИИ НА ДИСКЕ
ИНФОРМАЦИЮ НА ДИСКЕ МОЖНО ОБРАБОТАТЬ С ПОМОЩЬЮ СПЕЦИАЛЬНЫХ ПРОГРАММ ТАКИМ ОБРАЗОМ, ЧТОБЫ ОНА ЗАНИМАЛА МЕНЬШИЙ ОБЪЕМ.
Сжатие информации используют, если объем носителя информации недостаточен для хранения требуемого объема информации или информацию надо послать по электронной почте
Программы, используемые при сжатии отдельных файлов называются архиваторами. Эти программы часто позволяют достичь степени сжатия информации в несколько раз.
Структурное программирование
Структурное программирование – это метод, предполагающий создание улучшенных программ. Он служит для организации проектирования и кодирования программ таким образом, чтобы предотвратить большинство логических ошибок и обнаружить те, которые допущены.
Используя язык высокого уровня (такой как Фортран) программисты могли писать программы до несколько тысяч строк длиной. Однако язык программирования, легко понимаемый в коротких программах, когда дело касается больших программ, становится нечитабельным (и неуправляемым). Избавление от таких неструктурированных программ пришло после создания в 1960 году языков структурного программирования. К ним относятся языки Алгол, Паскаль и С.
Структурное программирование подразумевает точно обозначенные управляющие структуры, программные блоки, отсутствие инструкций GOTO, автономные подпрограммы, в которых поддерживается рекурсия и локальные переменные. Главным в структурном программировании является возможность разбиения программы на составляющие ее элементы. Используя структурное программирование, средний программист может создавать и поддерживать программы свыше 50 000 строк длиной.
Структурное программирование тесно связано такими понятиями как «нисходящее проектирование» и «модульное программирование».
Метод нисходящего проектирования предполагает последовательное разложение функции обработки данных на простые функциональные элементы («сверху-вниз»).
В результате строится иерархическая схема, отражающая состав и взаимоподчиненость отдельных функций, которая носит название функциональная структура алгоритма (ФСА) приложения.
Функциональная структура алгоритма приложения разрабатыается в следующей последовательности:
1) определяются цели автоматизации предметной области и их иерархия;
2) устанавливается состав приложений (задач обработки), обеспечивающих реализацию поставленных целей;
3) уточняется характер взаимосвязи приложений и их основные характеристики (информация для решения задач, время и периодичность решения и др.);
4) определяются необходимые для решения задач функции обработки данных;
5) выполняется декомпозиция функций обработки до необходимой структурной сложности, реализуемой предполагаемым инструментарием.
Подобная структура приложения отражает наиболее важное – состав и взаимосвязь функций обработки информации для реализации приложений, хотя и не раскрывает логику выполнения каждой отдельной функции, условия или периодичность их вызовов.
Разложение должно носить строго функциональный характер, т.е. отдельный элемент ФСА должен описывать законченную содержательную функцию обработки информации, которая предполагает определенный способ реализации на программном уровне.
Модульное программирование основано на понятии модуля – логически взаимосвязанной совокупности функциональных элементов, оформленных в виде отдельных программных модулей. Модульное программирование рассматривается в разд 7.
Структурное программированиесостоит в получении правильной программы из некоторых простых логических структур. Оно базируется на строго доказанной теореме о структурировании, которая утверждает, что любую правильную программу (с одним входом, одним выходом, без зацикливания и недостижимых команд) можно написать с использованием только следующих основных логических структур:
· циклической (цикл, или повторение).
Эта теорема была сформулирована в 1966 г. Боймом и Якопини (Corrado Bohm, Guiseppe Jacopini). Главная идея теоремы – преобразовать каждую часть программы в одну из трех основных структур или их комбинацию так, чтобы неструктурированная часть программы уменьшилась. После достаточного числа таких преобразований оставшаяся неструктурированной часть либо исчезнет, либо становится ненужной. В теореме доказывается, что в результате получится программа, эквивалентная исходной и использующая лишь упоминавшиеся основные структуры.
Комбинации правильных программ, полученные с использованием этих трех основных структур, также являются правильными программами. Применяя итерацию и вложение основных структур, можно получить программу любого размера и сложности. При использовании только указанных структур отпадает необходимость в безусловных переходах и метках. Поэтому иногда структурное кодирование понимают в узком смысле как программирование без «GOTO».
В алгоритмическом языке С (С++) для реализации структурного кодирования используются следующие операторы:
· объявление (только в С++).
Структура «следование»(рис. 5.1, а) реализуется составным оператором, оператором-выражение, asm-оператором и др.
Составной оператор, или блок, представляет собой список (возможно, пустой) операторов, заключенных в фигурные скобки . Синтаксически блок рассматривается как единый оператор, но он влияет на контекстидентификаторов, объявленных в нем. Блоки могут иметь любую глубину вложенности.
Оператор-выражение представляет собой выражение, за которым следует точка с запятой. Его формат следующий:
Компилятор языка C++ выполняет операторы-выражения, вычисляя выражения. Все побочные эффекты от этого вычисления завершаются до начала выполнения следующего оператора. Большинство операторов-выражений представляют собой операторы присваивания или вызовы функций (например, printf(), scanf() ). Особым случаем является пустой оператор, состоящий из одной точки с запятой (;). Пустой оператор не выполняет никаких действий. Однако он полезен в тех случаях, когда синтаксис C++ ожидает наличия некоторого оператора, но по программе он не требуется (например, бесконечный цикл for ).
Asm-операторы обеспечивают программирование на уровне ассемблера (использование указателей, побитовые операции, операции сдвига и т.д.). Используя ассемблерный язык для обработки подпрограмм критических ситуаций, многократно повторяющихся операций, можно повысить скорость оптимизации без какого-либо усовершенствования языка высокого уровня.
Структура «развилка» (рис. 5.1, б, в) реализуется операторами выбора. Операторы выбора, или операторы управления потоком, выполняют выбор одной из альтернативных ветвей программы, проверяя для этого определенные значения. Существует два типа операторов выбора: if. else и switch.
Базовый оператор if(рис. 5.1, б) имеет следующий формат:
Язык C++ в отличие от, например, языка Паскаль не имеет специального булевого типа данных. В условных проверках роль такого типа может играть целочисленная переменная или указатель на тип. Условное_выражение должно быть записано в круглых скобках. Это выражение вычисляется. Если оно является нулевым (или пустым в случае типа указателя), мы говорим, что условное_выражение ложно(false); в противном случае оно истинно(true).
Если предложение else отсутствует, а условное_выражение дает значение «истина», то выполняется оператор_если_»истина»; в противном случае он игнорируется.
Если задано предложение оператор_если_»ложь», а условное_выражение дает значение «истина», то выполняется оператор_если_»истина»; в противном случае выполняется оператор_если»ложь».
Преобразования указателей выполняются таким образом, что значение указателя всегда может быть корректно сравнено с выражением типа константы, дающим 0. Таким образом, сравнение для пустых указателей может быть сделано в виде:
if (!ptr). или if (ptr = = 0).
Оператор_если_»ложь» и оператор_если_»истина» сами могут являться операторами if, что позволяет организовывать любую глубину вложенности условных проверок. При использовании вложенных конструкций if. else следует быть внимательным и обеспечивать правильный выбор выполняемых операторов. Любая неоднозначность конструкции «else» разрешается сопоставлением else с последним найденным на уровне данного блока if без else.
if (x == 1)
if (y == 1) puts(«x=1 и y=1»);
дает неверное решение, так как else, независимо от стиля записи, сопоставляется не с первым, а со вторым if. Поэтому правильная запись последней строчки должна быть такой:
else puts(«x=1 и y!=1»);
Однако с помощью фигурных скобок можно реализовать и первую конструкцию:
if (x = = 1)
if (y = = 1) puts(«x = и y=1»);
Оператор switch (см. рис. 5.1, в) использует следующий базовый формат:
switch (переключающее_выражение) case_оператор;
Он позволяет передавать управление одному из нескольких операторов с меткой case в зависимости от значения переключающего_выражения. Любой оператор в case_операторе (включая пустой оператор) может быть помечен одной (или более) меткой варианта:
caseконстантное_выражение_i : case_оператор_i;
где каждое константное_выражение_i должно иметь уникальное целочисленное значение (преобразуемое к типу переключающего_выражения) в пределах объемлющего оператора switch.
Допускается иметь в одном операторе switch повторяющиеся константы case.
Оператор может иметь также не более одной метки default:
После вычисления переключающего_выражения выполняется сопоставление результата с одним из константных_выражений_i. Если найдено соответствие, то управление передается case_оператору_i с меткой, для которой найдено соответствие. Если соответствия не найдено и имеется метка default, то управление передается оператору_умолчания. Если соответствие не найдено, а метка default отсутствует, то никакие операторы не выполняются. Для того чтобы остановить выполнение группы операторов для конкретного варианта, следует использовать оператор break.