Лекции по информатике

СОДЕРЖАНИЕ Лекция 1. Информации и способы её представления в вычислительной технике...................3 1. Определения и основные свойства информации.................................................................3 2. Сигналы и данные...................................................................................................................4 3. Единицы измерения и хранения данных...............................................................................4 4. Операции с данными..............................................................................................................5 5. Информационные революции................................................................................................6 Лекция 2. История развития и состав вычислительной техники...............................................7 1. Счетные инструменты домеханического этапа...................................................................7 2. Вычислительная техника на механическом этапе развития...............................................8 3. Электронно­вычислительный этап........................................................................................9 4. Поколения ЭВМ.....................................................................................................................9 5. Основные принципы устройства, структура и состав ЭВМ.............................................10 Лекция 3. Арифметические и логические операции с двоичными числами...........................11 1. Системы счисления..............................................................................................................11 2. Двоичное кодирование чисел..............................................................................................13 3. Двоичное кодирование текста.............................................................................................14 4. Логические операции в двоичной системе.........................................................................15 Лекция 4. Средства реализации информационных процессов.................................................16 1. Технические средства ЭВМ................................................................................................16 2. Персональные компьютеры.................................................................................................18 3. Планшетные компьютеры....................................................................................................19 4. Программные средства ЭВМ...............................................................................................19 5. Тенденции развития ПО.......................................................................................................21 Лекция 5. Системное программное обеспечение персонального компьютера.......................22 1. Назначение и состав системного ПО .................................................................................22 2. Структура и функции операционной системы .................................................................23 3. Разновидности операционных систем.................................................................................25 4. Операционные системы Windows и Linux..........................................................................27 Лекция 6. Технологии моделирования и построения алгоритмов...........................................28 1. Моделирование как процесс упрощения задачи................................................................28 2. Алгоритм и его основные свойства....................................................................................29 3. Типы алгоритмических процессов......................................................................................31 4. Способы записи алгоритмов................................................................................................32 Лекция 7. Системы и технологии программирования. Языки программирования высокого  уровня............................................................................................................................................35 1. Процесс создания компьютерной программы....................................................................36 2. Языки программирования....................................................................................................37 3. Средства создания программ..............................................................................................39 4. Архитектура программных систем.....................................................................................40 Лекция 8. Компьютерное представление текста.......................................................................41 1. Кодировка буквенных символов.........................................................................................41 2. Кодировка латинского алфавита и кириллицы.................................................................43 3. Компьютерные шрифты.......................................................................................................46 4. Операции текстовой обработки..........................................................................................47 5. Бумажные и электронные документы................................................................................47 Лекция 9. Текстовые редакторы и издательские системы.......................................................49 1. История создания и разновидности текстовых редакторов.............................................49 2. Форматирование и разметка и текстовых файлов.............................................................51 3. Функциональные возможности текстовых процессоров...................................................52 4. Настольные издательские системы.....................................................................................54 5. Компьютерная верстка рукописей......................................................................................55 Лекция 10. Принципы формирования графических изображений...........................................57 1. Зрительный аппарат человека.............................................................................................57 2. Моделирование цветовых оттенков, законы Грассмана...................................................58 3. Цветовая модель RGB.........................................................................................................59 4. Цветовая модель CMYK.....................................................................................................60 5. Формирование цветных изображений на экране и бумаге................................................61 Лекция 11. Разновидности компьютерной графики и средств создания цифровых  изображений..................................................................................................................................63 1. Классификация цифровых изображений............................................................................63 2. Аппаратные средства для получения цифровых изображений........................................65 3. Мультимедийные изображения...........................................................................................67 4. Деловая графика и системы автоматизированного проектирования..............................68 Лекция 12. Представление и обработка табличных данных в электронных таблицах..........70 1. История развития и области применения..........................................................................70 2. Основные возможности электронных таблиц....................................................................71 3. Общие сведения о программе Excel...................................................................................72 Лекция 13. Базы данных и системы управления базами данных..............................................73 1. Определения и отличительные признаки баз данных........................................................74 2. Классификации баз данных.................................................................................................75 3. Структура и свойства..........................................................................................................75 4. Связанные таблицы..............................................................................................................77 5. Системы управления базами данных, программа Access.................................................78 Лекция 14. Структура и состав персонального компьютера....................................................80 1. Базовая конфигурация персонального компьютера..........................................................80 2. Внутренняя и внешняя память компьютера.......................................................................82 3. Монитор................................................................................................................................84 4. Клавиатура и манипулятор мышь.......................................................................................85 Тема 15. Компьютерные сети......................................................................................................86 1. Общие сведения и основные понятия компьютерных сетей.............................................86 2. Принципы коммуникации и протоколы сети.....................................................................88 3. Классификация компьютерных сетей................................................................................90 4. Топология компьютерных сетей.........................................................................................90 5. Модель компьютерной сети................................................................................................91 Лекция 16. Глобальная компьютерная сеть Интернет..............................................................92 1. Определение сети Интернет................................................................................................92 2. История Всемирной паутины..............................................................................................92 3. Протоколы сети Интернет...................................................................................................93 4. Адресация сетевых компьютеров.......................................................................................94 5. Адресация сетевых документов..........................................................................................95 6. Службы Интернета...............................................................................................................96 7. Способы соединения с глобальной сетью..........................................................................97 Лекция 17. Принципы формирования web­документов...........................................................98 1. Отличительные особенности web­документа....................................................................98 2. Разметка гипертекстовых документов...............................................................................99 3. Принципы построения сайтов в сети Интернет...............................................................100 4. Проблемы восприятия сайтов...........................................................................................101 Лекция 18. Основы защиты компьютерной информации........................................................102 1. Угрозы компьютерной безопасности................................................................................102 2 2. Компьютерные вирусы и методы защиты от вирусов.....................................................103 3. Противодействие несанкционированному доступу и спаму..........................................105 4. Общие меры обеспечения компьютерной безопасности.................................................106 Лекция 1. Информации и способы её представления в вычислительной  технике 1. Определения и основные свойства информации  Информация  (от   лат.   informatio   —  осведомление,   разъяснение, изложение) — в широком смысле абстрактное понятие, имеющее множество значений в зависимости от контекста. В узком смысле этого слова — сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления. В настоящее время   не   существует   единого   определения   термина   информация.   С   точки зрения   различных   областей   знания,   данное   понятие   описывается   своим специфическим набором признаков.  Определения информации 1. Информация  —   совокупность   данных,   зафиксированных   на материальном   носителе,   сохранённых   и   распространённых   во времени и пространстве.1 2. Информация  –     это   совокупность   сведений   (данных),   которая воспринимается   из   окружающей   среды   (входная   информация), выдается   в   окружающую   среду   (исходная   информация)   или сохраняется внутри определенной системы.  3. Информация  – это продукт взаимодействия данных и адекватных им   методов.   Информация   возникает   в   процессе   взаимодействия данных и соответствующих методов.2 Свойства информации 1. Объективность информации.  Информация  объективна, если она не   зависит   от   методов   ее   фиксации,   чьего­либо   мнения     или суждения. 2. Достоверность информации.  Информация  достоверна, если она отражает истинное положение дел.  3. Полнота   информации.   Информацию  является  полной,   если   ее достаточно для понимания и принятия решений.  1 Виды информации и ее свойства. Викиучебник, ru.wikibooks.org. 2 С.В. Симонович. Информатика. Базовый курс для ВУЗов, 2009, с. 13. 3 4. Точность   информации  определяется  степенью  ее   близости   к реальному состоянию объекта, процесса, явления. 5. Актуальность информации  – важность для  настоящего  времени, злободневность, насущность. 6. Полезность   (ценность)   информации.  Полезность  может   быть оценена применительно к нуждам потребителей и по отношению к результатам решения конкретных задач. 2. Сигналы и данные Все физические объекты находятся в состоянии непрерывного движении или изменения, которое сопровождается обменом энергией и ее переходом из одной   формы   в   другую.   Энергообмен   между   объектами   сопровождаются появлением   сигналов.   Все   сигналы   имеют   в   своей   основе   материальную энергетическую   природу.   При   взаимодействии   сигналов   с   физическими телами   в   последних   возникают   определенные   изменения   свойств   —   это явление   называется  регистрацией   сигналов.   Такие   изменения   можно наблюдать,   измерять   или   фиксировать   разными   способами   —   при   этом возникают и регистрируются новые сигналы, то есть образуются данные.  Данные — это зарегистрированные сигналы, совокупность сведений, зафиксированных   на   определенном   носителе   в   форме,   пригодной   для постоянного хранения, передачи и обработки. Преобразование и обработка данных позволяет получить информацию.3 3. Единицы измерения и хранения данных В   информатике,   как   правило,   измерению   подвергается   информация, представленная   дискретным   сигналом.   При   этом   различают   следующие подходы к оценке информации. 1. Структурный подход. Измеряет количество информации простым подсчетом   информационных   элементов,   составляющих   сообщение. Применяется   для   оценки   возможностей   запоминающих   устройств или объемов передаваемых сообщений. 2. Статистический   подход.   Учитывает   вероятность   появления сообщений: более информативным считается то сообщение, которое менее вероятно, т.е. менее всего ожидалось. Применяется при оценке значимости получаемой информации. 3. Семантический подход. Учитывает целесообразность и полезность информации. Применяется при оценке эффективности получаемой информации и ее соответствия реальности. 3 Симонович С.В., 2009 г. 4 На практике чаще используется структурный подход. При этом наименьшей единицей представления информации является бит (bit ­ binary digit), который может принимать только два значения (0/1 или да/нет). Наименьшей единицей измерения является байт, поскольку одним байтом, как правило, кодируется один символ текстовой информации.  Более   крупная   единица   измерения   ­   килобайт   (Кбайт).   В   килобайтах измеряют сравнительно небольшие объемы данных. Условно можно считать, что   одна   страница   неформатированного   машинописного   текста   составляет около 2 Кбайт.  Более   крупные   единицы   измерения   данных   образуются   добавлением префиксов мега, гига, тера.  1 Мбайт = 1024 Кбайт = 1020 байт  1 Гбайт = 1024 Мбайт = 1030 байт  1 Тбайт = 1024 Гбайт = 1040 байт  При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее   компактном   виде   и   как   обеспечить   к   ним   удобный   и   быстрый доступ.   В   качестве   единицы   хранения   данных   принят   объект   переменной длины, называемый файлом.  Файл — это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем. Обычно в отдельном файле хранят данные, относящиеся к одному типу. В этом случае тип данных определяет тип файла. Энтропия ­ мера измерения недостающей информации.  Энтропия   (информационная)   —   мера   хаотичности  информации, неопределённость появления какого­либо символа первичного алфавита. При отсутствии информационных потерь численно равна количеству информации на символ передаваемого сообщения. Информационная   энтропия  для  независимых   случайных  событий X  с N возможными состояниями (от 1 до N) рассчитывается по формуле: XH ( )  N  i  1 XP ( i log) XP ( ) , i где Х – дискретная случайная величина с диапазоном изменчивости N,  P(Xi) – вероятность i – го уровня X.  4. Операции с данными Обработка данных включает в себя множество различных операций. 1. Сбор   данных   —  накопление  информации   с   целью   обеспечения достаточной полноты для принятия решений. 5 2. Формализация данных — приведение данных из разных источников к одинаковой форме. 3. Фильтрация данных — отсеивание «лишних» данных. 4. Сортировка   данных   —  упорядочение  данных   по   заданному признаку. 5. Архивация  данных  —  организация  хранения  данных  в  удобной и легкодоступной форме. 6. Защита   данных   —  комплекс   мер,  направленных  на предотвращение утраты, воспроизведения и модификации данных. 7. Транспортировка   данных   —  прием   и  передача  данных   между удаленными участниками информационного процесса. 8. Преобразование   данных   —  перевод  данных  из   одной   формы   в другую или из одной структуры в другую. 5. Информационные революции Информационная   революция  процесс   преобразования общественных   отношений   по   причине   кардинальных   изменений   в   сфере обработки   информации.   В   истории   развития   цивилизации   произошло несколько информационных революций ( табл.1.1.) –  это  Информационные революции Таблица 1.1 Событие Дата 1. Изобретение  письменности 2. Открытие  книгопечатания  3. Достижения  электрических технологий (эл­во, телеграф, телефон, радио) 4. Освоение  микропроцессороных  технологий 5. Создание глобальной  сети Интернет 4­6 тыс. лет назад, Китай, Центр. Америка, Греция Середина XVI века, Европа Конец XIX века 70­е годы XX века 90­е годы XX века Информационные преобразования Передача знаний на  носителе, появление  рукописной книги Размножение информации, массовое обучение Передача информации на  расстоянии Преобразование  информации в цифровую  форму, информатизация  общества Обеспечение оптимальных условий для  удовлетворения  информационных  6 потребностей Информатизация общества  ­  организованный  социально­экономический и   научно­технический   процесс   создания   оптимальных   условий   для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов   государственной   власти   и   общественных   объединений   на   основе формирования и использования информационных ресурсов. Лекция 2. История развития и состав вычислительной техники Историю вычислительной техники принято делить на три основных этапа: домеханический, механический и электронно­вычислительный. Эти три периода включают в себя весь прогресс человечества, который начинается от счета на пальцах и развивается до вычислений на компьютерах.  1. Счетные инструменты домеханического этапа 1. Вестоницкая   кость.  Самым  древним  из   найденных   счетных инструментов   считается   кость   с   зарубками,   найденная   в   древнем поселении Дольни Вестоници в Чехии4. Находке 30 тыс. лет.  2. Абак.  Изготовленная   из   камня   или   других   материалов   плита   с линиями или желобками, в которые помещались и использовались для   счета   камешки   или   шарики.  Инструмент   получил распространение в    странах Средиземноморья в V­VI веках н.э., но создан   был   значительно   раньше.   Самым   древним   инструментом плиточной   формы   является   Саламинская   доска,   найденная   на острове Саламин в Эгейском море и изготовленная примерно за 300 лет до н.э. 3. Узелковое   письмо.  Это  несколько  связанных   между   собой шерстяных   или   хлопчатобумажных   ниток,   знаками   на   этих   нитях служили   узлы   с   вплетенными   в   них   камнями   или   цветными ракушками.   Узелковое   письмо   использовалось   для   передачи письменных   сообщений,   наиболее   широкое   распространение получило   в   области   Центральных   Анд   в   XV­XVI   веках н.э.   Инки такой способ записи называли кипу (узел).  4. Суан­пан   и   соробан.  Представляет  собой   прямоугольную   раму   с натянутыми параллельно друг другу нитями, на которые нанизаны шарики. Китайская разновидность инструмента появилась в VI веке н.э. и называлась суан­пан. В Японии инструмент появился в средние века под названием соробан, который известен в настоящее время как японские счеты.  4 История  развития  вычислительной  техники, http://inf11.gym5cheb.ru, 2012 7 5. Дощаный счет. Рамка с горизонтальными веревочками, на которые нанизывались   сливовые   или   вишневые   косточки.   Инструмент получил распространение на Руси примерно с XV века, позже на его основе были созданы счеты.  6. Логарифмическая   линейка.  Первая  логарифмическая  линейка, пригодная   для   выполнения   инженерных   расчетов,   была сконструирована в 1779 году английским механиком Джоном Ваттом и   явилась   переходным   инструментом   на   пути   к   механическим счетным устройствам.  Несмотря   на   кажущуюся   простоту,   все   инструменты   домеханического этапа   не   только   дожили   до   наших   дней,   но   кое­где   используются   до настоящего времени. 2. Вычислительная техника на механическом этапе развития 1. Первым механическим счетным устройством  принято считать тринадцатиразрядное суммирующее  устройство  на основе зубчатых колес, созданное Леонардо да Винчи в виде рисунка в XV веке. 2. Первая   действующая   механическая   счетная   машина  была изготовлена   в   1623 г.  профессором  математики   Вильгельмом Шиккардом, в машине были механизированы операции сложения и вычитания. 3. Счетное устройство, на котором можно было выполнять четыре арифметических  действия  (арифмометр),   была   создана   великим математиком Готфридом Лейбницом в  1673 г. 4. Арифмометр с зубчаткой и переменным количеством зубцов был разработан  в России  в 1873  г.  Автором  устройства  был  Вильгодт Однер,   в   1890   году   он   наладил   массовый   выпуск   арифмометров, которые   в   первой   четверти   XIX   века   были   основными математическими машинами во всем мире. 5. Арифмометр «Феликс»,  разработанный  В. Однером, с 1925 года до   середины  XX  века   производился   в   СССР   и   был   широко распространенным механическим счетным устройством. Все вычислительные устройства механического этапа были ручными и не могли   использоваться   без   участия   человека   в   процессе   вычислений.   Для выполнения   каждой   операции   нужно   было   набирать   исходные   данные, приводить   в   движение   счетный   механизм,   результаты   всех   операций записывать. 8 3. Электронно­вычислительный этап В начале XX века были созданы технические предпосылки для разработки электронных вычислительных машин (ЭВМ): – ламповый диод,  изобретенный в 1904 г. Дж. Флемингом в  Англии;  – ламповый триод, который создал в 1906 г. Ли де Форест  (США); – ламповый триггер – устройство, которое сохраняет одно из  двух устойчивых состояний и по сигналу переключается из  одного состояния в другое. Открытие триггера было сделано  независимо друг от друга М. А. Бонч­Бруевичем (СССР, 1918) и  учеными У. Экклзом и Ф. Джорданом (Англия, 1919). Первые образцы вычислительной техники начали создаваться  в 30­х годах прошлого   века,   а   в   середине   XX   века   разработкой   ЭВМ   занимались независимо   в   Германии,   Великобритании,   США   и   СССР.   К   ЭВМ   первого поколения относятся, например: – электромеханическое устройство ЭНИГМА (Германия, 30­е  годы), предназначенное для шифрования военных донесений; – электронная счетная машина COLOSSUS (Англия, 1943) для  расшифровки кодированных сообщений; – электронный цифровой интегратор ЭНИАК (США, 1944),  отличающийся 30­тонным весом и содержащий 18000  электронных ламп. После Второй мировой войны были созданы ЭВМ с электронной памятью, в том числе, ЭВМ  МЭСМ и БЭСМ (СССР, 1951, 1953). В 1965 году в СССР было налажено серийное производство ЭВМ ЕС.  Переход   с   электронных   ламп   на   транзисторы   и   в   дальнейшем   на микропроцессоры значительно ускорил прогресс в развитии ЭВМ. Одним из примечательных   результатов   развития   стало   появление   первого персонального компьютера  АЛЬТАИР 8800 (США, 1970). 4. Поколения ЭВМ Этап  развития  электронно­вычислительной   техники   принято   делить   на несколько поколений (см. табл.2.1).  Поколения электронно­вычислительных машин Номер поколения Таблица 2.1 I II III IV 9 Электронная лампа конец 50­х   Полупровод­ никовые элементы   Десятки Тысячи  60­е годы   Интеграль­ ная  схема  Десятки тысяч    70­е и далее   Большая интегральная схема Миллионы  Годы применения  1940­50  Основной элемент Количество ЭВМ  в мире (шт.) Быстродействие  (кол­во операций  в секунду)  Носитель  информации  103­144  104­106 105­107 106­108 Перфокарта, перфолента Магнитная лента   Магнитный диск Оптический компакт­ диск  Если   для   развития   счетных   устройств   на   механическом   этапе потребовалось   несколько   столетий,   то   основы   электронно­вычислительной техники были разработаны в течении полувека. 5. Основные принципы устройства, структура и состав ЭВМ В   процессе   развития   вычислительной   техники   первого   поколения   были сформулированы основные принципы построения ЭВМ (Джон фон Нейман, США, 1945). 1. Принцип   двоичного   кодирования.  В   вычислительной   технике должна использоваться двоичная система представления данных, в том числе, нечисловых данных ( текст, графика, звук и др.). 2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. 3. Принцип   адресуемости   памяти.  Данные   хранятся   в   памяти вычислительной   машины,   которая   должна   быть   разделена   на нумерованные  ячейки.  4. Принцип   последовательного   программного   управления.  Все операции   процессор   должен   выполнять   по   программе   в автоматическом режиме.  5. Принцип жесткости архитектуры. В процессе работы топология и архитектуры ЭВМ не меняется, а программа является изменяемой частью машины. ЭВМ, построенные на этих принципах, имеют классическую архитектуру или архитектуру фон Неймана. Структурная схема такой ЭВМ показана на рис. 2.1. В состав ЭВМ, имеющей классическую архитектуру, входят: 10 – центральный процессор, предназначенный для управления  работой всех блоков ЭВМ, а также выполнения арифметических  и логических операций; Внешнее запоминающее устройство (ВЗУ) Центральный процессор (ЦП) Устройство ввода Арифметико­ логическое устройство (АЛУ) Устройство управления (УУ) Устройство вывода Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) Рис. 2.1. Структурная схема ЭВМ  – арифметико­логическое устройство (АЛУ), предназначенное для  выполнения всех операций с числовыми и символьными данными; – устройство  управления (УУ), которое формирует управляющие  импульсы и синхронизирует работу всех блоков ЭВМ;  – внешнее запоминающее устройство (ВЗУ), которое используется  для долговременного хранения данных; – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), предназначенное  для записи, хранения и считывания данных, непосредственно  участвующих в информационно­вычислительном процессе; – устройства ввода и вывода, которые обеспечивают загрузку ЭВМ  исходными данными и программами, а также вывод результатов  обработки на монитор или принтер.  Лекция 3. Арифметические и логические операции с двоичными числами 1. Системы счисления Система счисления — способ записи чисел с помощью заданного набора специальных символов, которые называются цифрами. Основание системы счисления  –  количество цифр, используемых для записи чисел.  В  математическом  аппарате   информатики   используются   десятичная, двоичная,   восьмеричная   и   шестнадцатеричная   системы   счисления   (см. табл. 3.1). Все эти системы счисления относятся к системам  позиционного 11