Где - вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений

Информация есть характеристика не сообщения, а соотношения между сообщением и его потребителем. Без наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно.

В КАКОМ ВИДЕ СУЩЕСТВУЕТ ИНФОРМАЦИЯ

Информация может существовать в виде:

§ текстов, рисунков, чертежей, фотографий;

§ световых или звуковых сигналов;

§ радиоволн;

§ электрических и нервных импульсов;

§ магнитных записей;

§ жестов и мимики;

§ запахов и вкусовых ощущений;

§ хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов, и т.д.

Предметы, процессы, явления материального или нематериального свойства, рассматриваемые с точки зрения их информационных свойств, называются информационными объектами.

КАК ПЕРЕДАЕТСЯ ИНФОРМАЦИЯ

Информация передается в виде сообщений от некоторого источника информации к ее приемнику посредством канала связи между ними. Источник посылает передаваемое сообщение, которое кодируется в передаваемый сигнал. Этот сигнал посылается по каналу связи. В результате в приемнике появляется принимаемый сигнал, который декодируется и становится принимаемым сообщением.

Пример 1. Сообщение, содержащее информацию о прогнозе погоды, передается приемнику (телезрителю) от источника – специалиста-метеоролога посредством канала связи – телевизионной передающей аппаратуры и телевизора.

Пример 2. Живое существо своими органами чувств (глаз, ухо, кожа, язык и т.д.) воспринимает информацию из внешнего мира, перерабатывает ее в определенную последовательность нервных импульсов, передает импульсы по нервным волокнам, хранит в памяти в виде состояния нейронных структур мозга, воспроизводит в виде звуковых сигналов, движений и т.п., использует в процессе своей жизнедеятельности.

Передача информации по каналам связи часто сопровождается воздействием помех, вызывающих искажение и потерю информации.

КАК ИЗМЕРЯЕТСЯ КОЛИЧЕСТВО ИНФОРМАЦИИ

В настоящие время получили распространение подходы к определению понятия «количество информации», основанные на том, что информацию, содержащуюся в сообщении, можно нестрого трактовать в смысле ее новизны, или, иначе, уменьшения неопределенности наших знаний об объекте.

Ниже представлены два подхода такого рода. В них используются математические понятия вероятности и логарифма.

Американский инженер Р. Хартли в 1928 году процесс получения информации рассматривал как выбор одного сообщения из конечного наперед заданного множества из N равновероятных сообщений, а количество информации I, содержащейся в выбранном сообщении, определял как двоичный логарифм N.

Формула Хартли

Допустим, нужно угадать одно число из набора чисел от единицы до ста. По формуле Хартли можно вычислить, какое количество информации для этого требуется: Таким образом, сообщение о верно угаданном числе содержит количество информации, приблизительно равное 6,644 единицы информации.

Приведем другие примеры равновероятных сообщений:

1) при бросании монеты - «выпала решка», «выпал орел»;

2) на странице книги: «количество букв четное», «количество букв нечетное».

Определим теперь, являются ли равновероятными сообщения «первой выйдет из дверей здания женщина» и «первым выйдет из дверей здания мужчина». Однозначно ответь на это вопрос нельзя. Все зависит от того, о каком именно здании идет речь. Если это, например, станция метро, то вероятность выйти из дверей первым одинакова для мужчины и женщины, а если это военная казарма, то для мужчины эта вероятность значительно выше, чем для женщины.

Для задач такого рода американский ученый Клод Шеннон предложил в 1948 году другую формулу определения количества информации, учитывающую возможную неодинаковую вероятность сообщений в наборе.

Формула Шеннона:

где - вероятность того, что именно i-е сообщение выделено в наборе из N сообщений.

Заметим, что если вероятности равны, то каждая из них равна , и формула Шеннона превращается в формулу Хартли.

Помимо двух рассмотренных подходов к определению количества информации, существуют и другие. Важно помнить, что любые теоретические результаты применимы лишь к определенному кругу случаев, очерченному первоначальными допущениями.

В качестве единицы информации условились принять один бит (англ. bit – bi nary digi t – двоичная цифра).

Бит в теории информации – количество информации, необходимой для различения двух равновероятных сообщений. В вычислительной технике битом называют наименьшую «порцию» памяти, необходимую для хранения одного из двух знаков «0» и «1», используемых для внутримашинного представления данных и команд.

Бит слишком мелкая единица измерения. На практике чаще применяется более крупная единица – байт, равная восьми битам. Именно восемь бит требуется для того, чтобы закодировать любой из 256 символов алфавита клавиатуры компьютера

Широко используются также еще более крупные производные единицы информации:

1 Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = байт 1 Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = байт 1 Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = байт

В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатываемой информации входят в употребление такие производные единицы, как:

1 Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = байт 1 Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = байт

За единицу информации можно было бы выбрать количество информации, необходимой для различения, например, десяти равновероятных сообщений. Это будет не двоичная (бит), а десятичная (дит) единица информации.

ЧТО МОЖНО ДЕЛАТЬ С ИНФОРМАЦИЕЙ

Информацию можно:

§ создавать; § передавать; § воспринимать; § использовать; § запоминать;

§ принимать; § копировать; § формализовать; § распространять; § преобразовывать;

§ комбинировать; § обрабатывать; § упрощать; § собирать; § хранить;

§ искать; § измерять; § разрушать и т.д.

Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами.

СВОЙСТВА ИНФОРМАЦИИ

Информация обладает следующими свойствами:

достоверность; полнота;

ценность; своевременность;

понятность; доступность;

краткость и т.д.

Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений. Достоверная информация со временем может стать недостоверной, так как она обладает свойством устаревать, т.е. перестает отражать истинное положение дел.

Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия решений. Как неполная, так и избыточная информация сдерживает принятие решений или может повлечь ошибки.

Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта процесса, явления и т.п.

Ценность информации зависит от того, насколько она важна для решения задачи, а также от того, насколько в дальнейшем она найдет применение в каких-либо видах деятельности человека.

Только своевременно полученная информация может принести ожидаемую пользу. Одинаково нежелательны как преждевременная подача информации (когда она еще не может быть усвоена), так и ее задержка.

Если ценная и своевременная информация выражена непонятным образом, она может стать бесполезной. Информация становится понятной, еcли она выражена языком, на котором говорят те, кому предназначена эта информация.

Информация должна преподноситься в доступной (по уровню восприятия) форме. Поэтому одни и те же вопросы по-разному излагаются в школьных учебниках и научных изданиях.

Информацию по одному и тому же вопросу можно изложить кратко (сжато, без несущественных деталей) или пространно (подробно, многословно). Краткость информации необходима в справочниках, энциклопедиях, всевозможных инструкциях.

ЧТО ТАКОЕ ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

Обработка информации – получение одних информационных объектов из других путем выполнения некоторых алгоритмов.

Обработка является одной из основных операций, выполняемых над информацией, и главным средством увеличения объема и разнообразия информации.

Средства обработки информации – это всевозможные устройства и системы, созданные человечеством, и в первую очередь компьютер – универсальная машина для обработки информации.

Компьютеры обрабатывают информацию путем выполнения некоторых алгоритмов. Живые организмы и растения обрабатывают информацию с помощью своих органов и систем.

ЧТО ТАКОЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ РЕСУРСЫ И ИНФОРМАЦИОНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Информационные ресурсы – это идеи человечества и указания по реализации этих идей, накопленные в форме, позволяющей их воспроизводство.

Это книги, статьи, патенты, диссертации, научно-исследовательская и опытно-конструкторская документации, технические переводы, данные о средовом производственном опыте и других. Информационные ресурсы (в отличие от всех других видов ресурсов – трудовых, энергетических, минеральных и т.д.) тем быстрее растут, чем больше их расходуют.

Информационные технологии – это совокупность методов и устройств, используемых людьми для обработки информации.

В настоящее время термин информационная технология употребляется в связи c использованием компьютеров для обработки информации. Информационные технологии охватывают всю вычислительную технику и технику связи и отчасти бытовую электронику, телевидение и радиовещание. Они находят применение в промышленности, торговле, управлении, банковской системе, образовании, здравоохранении, медицине и науке, транспорте и связи, сельском хозяйстве, системе социального обеспечения, служат подспорьем людям различных профессий и домохозяйкам.

Народы развитых стран осознают, что совершенствование информационных технологий представляет самую важную, хотя дорогостоящую и трудную, задачу.

Контрольные вопросы

1. Что означает термин «информатика» и каково его происхождение?

2. Перечислите свойства информации.

3. Перечислите единицы измерения информации.

4. Что подразумевается под понятие «информации» в бытовом смысле?

5. Что необходимо добавить в систему «источник информации – приемник информации», чтобы осуществить передачу сообщения?

6. Сформулируйте определение понятия «информация».

7. Какие действия можно выполнять с информацией?

8. Запишите формулу Хартли и формулу Шеннона.

9. Когда формула Шеннона переходит в формулу Хартли?

10. Что определяет термин «бит»?

11. Что такое информационные технологии?

12. Что такое информационные ресурсы?

Общие принципы организации и работы компьютера

ЧТО ТАКОЕ КОМПЬЮТЕР

Компьютер (англ. computer – вычислитель) представляет собой программируемое электронное устройство, способное обрабатывать данные и производить вычисления, а также выполнять другие задачи манипулирования символами.

Существует два основных класса компьютеров:

1) цифровые компьютеры, обрабатывающие данные в виде числовых двоичных кодов;

2) аналоговые компьютеры, обрабатывающие непрерывно меняющиеся физические величины (электрическое напряжение, время и т.д.), которые являются аналогами вычисляемых величин.

Поскольку в настоящее время подавляющее большинство компьютеров является цифровыми, далее будем рассматривать только этот класс компьютеров и слова «компьютер» употреблять в значении «цифровой компьютер».

Основу компьютеров образует аппаратура (HardWare), построенная в основном c использованием электронных и электромеханических элементов и устройств. Принцип действия компьютеров состоит в выполнении программ (SoftWare) - заранее заданных, четко определенных последовательностей арифметических, логических и других операций.

Любая компьютерная программа представляет собой последовательность отдельных команд.

Команда – это описание операции, которую должен выполнить компьютер. Как правило, у команды есть свой код (условное обозначение), исходные данные (операнды) и результат.

Совокупность команд, выполняемых данным компьютером, называется системой команд этого компьютера.

КАК УСТРОЕН КОМПЬЮТЕР

Разнообразие современных компьютеров очень велико, но их структуры основаны на общих логических принципах, позволяющих выделить в любом компьютере следующие главные устройства:

- память (запоминающее устройство - ЗУ), состоящую из перенумерованных ячеек;

- процессор, включающий устройство управления (УУ) и арифметико-логическое устройство (АЛУ);

- устройство ввода;

- устройство вывода.

Эти устройства соединены каналами связи, по которым передается информация.

НА КАКИХ ПРИНЦИПАХ ПОСТРОЕНЫ КОМПЬЮТЕРЫ

В основу построения подавляющего большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 году американским ученым Джоном фон Нейманом.

1) Принцип программного управления. Программа состоит из набора команд, выполняющихся процессором автоматически в определенной последовательности.

Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд.

2) Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти, поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти – число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

3) Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек. Процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.

ЧТО ТАКОЕ АРХИТЕКТУРА И СТРУКТУРА КОМПЬЮТЕРА

При рассмотрении компьютерных устройств принято различать их архитектуру и структуру.

Архитектурой компьютера называется его описание на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного ЗУ, внешних ЗУ и периферийных устройств. Общность архитектуры разных компьютеров обеспечивает их совместимость с точки зрения пользователя.

Структура компьютера – это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые различные устройства – от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать описание компьютера на любом уровне детализации.

Что такое центральный процессор

Центральный процессор (CPU, англ. Central Processing Unit) – это основной рабочий компонент компьютера, который выполняет арифметические и логические операции, заданные программой, управляет вычислительным процессом и координирует работу всех устройств компьютера.

Центральный процессор в общем случае содержит:

· арифметико-логическое устройство;

· шины данных и шины адресов;

· регистры;

· счетчики команд;

· кэш – очень быструю память малого объема (от 8 до 512 Кбайт);

· математический сопроцессор чисел с плавающей точкой.

Современные процессоры выполняются в виде микропроцессоров.

Физически процессор представляет собой интегральную схему – тонкую пластинку кристаллического кремния прямоугольной формы площадью всего несколько квадратных миллиметров, на которой размещены схемы, реализующие все функции процессора. Кристалл-пластинка обычно помещается в пластмассовый или керамический плоский корпус и соединяется золотыми проводками с металлическими штырьками, чтобы его можно было присоединить к системной плате компьютера.

Например, микропроцессор Intel Pentium 4 с тактовой частотой до 2 Гигагерц предназначен для работы таких приложений, как передача видео и звука по Интернету, создание видеоматериалов, распознавание речи, обработка трехмерной графики, игры.

В вычислительных системах, называемых многопроцессорными, может быть несколько параллельно работающих процессоров.

Как устроена память

Память компьютера построена из двоичных запоминающих элементов – бит, объединенных в группы по 8 бит, которые называются байтами. (Единицы измерения памяти совпадают с единицами измерения информации). Все байты пронумерованы. Номер байта называется его адресом.

Байты могут объединяться в ячейки, которые называются также словами. Для каждого компьютера характерна определенная длина слова – два, четыре или восемь байт. Это не исключает использование ячеек памяти другой длины (например, полуслово, двойное слово). Как правило, в одном машинном слове может быть представлено либо одно целое число, либо одна команда. Однако допускаются переменные форматы представления информации.

Широко используются и более крупные производные единицы объема памяти: Килобайт, Мегабайт, Гигабайт а также в последнее время Терабайт и Петабайт.

Устройства, образующие внутреннюю память

В состав внутренней памяти входят: оперативная память; кэш память; специальная память.

§ Оперативная память

Оперативная память (ОЗУ, англ. RAM, Random Access Memory – память с произвольным доступом) – это быстрое запоминающее устройство не очень большого объема, непосредственно связанное с процессором и предназначенное для записи, считывания и хранения выполняемых программ и данных, обрабатываемых этими программами.

Оперативная память используется только для временного хранения данных и программ, так как, когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ, пропадает. Доступ к элементам оперативной памяти прямой – это означает, что каждый байт памяти имеет свой индивидуальный адрес.

Объем ОЗУ обычно составляет от 32 до 512 Мбайт.

§ Кэш-память

Кэш-память (англ. cache), или сверхоперативная память, - очень быстрое ЗУ небольшого объема, которое используется при обмене данными между микропроцессором и оперативной памятью для компенсации разницы в скорости обработки информации процессором и несколько менее быстродействующей оперативной памятью.

Кэш-памятью управляет специальное устройство – контроллер, который, анализируя выполняемую программу, пытается предвидеть, какие данные и команды, вероятнее всего, понадобятся в ближайшее время процессору, и подкачивает их в кэш-память. При этом возможны как попадания, так и промахи.

§ Специальная память

К устройствам специальной памяти относятся постоянная память (ROM), перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory), память CMOS RAM – разновидность ПЗУ, видеопамять и некоторые другие виды памяти.

Постоянная память (ПЗУ, англ. ROM, Read Only Memory – память только для чтения) – энергонезависимая память, используется для хранения данных, которые никогда не потребуют изменения. Содержание памяти специальным образом «зашивается» в устройстве при его изготовлении для постоянного хранения. Из ПЗУ можно только читать. Перепрограммируемая постоянная память (Flash Memory) – энергозависимая память, допускающая многократную перезапись своего содержимого с дискеты.

Прежде всего в постоянную память записывают программу управления работой самого процессора. В ПЗУ находятся программы управления дисплеем, клавиатурой, принтером, внешней памятью, программы запуска и остановки компьютера, тестирования устройств.

Важнейшая микросхема постоянной или Flash-памяти – модуль BIOS.

BIOS (Basic Input/Output System – базовая система ввода-вывода) – совокупность программ, предназначенных для: автоматического тестирования устройств после включения питания компьютера и загрузки операционной системы в оперативную память.

Устройства, образующие внешнюю память

§ Внешняя память (ВЗУ) предназначена для длительного хранения программ и данных, и целостность ее содержимого не зависит от того, включен или выключен компьютер. В отличие от оперативной памяти внешняя память не имеет прямой связи с процессором.

В состав внешней памяти компьютера входят:

· накопители на жестких магнитных дисках;

· накопители на гибких магнитных дисках;

· накопители на компакт -дисках;

· накопители на магнитооптических компакт-дисках;

· накопители на магнитной ленте (стримеры) и др.

§ Накопители на магнитных дисках.

Гибкий диск (англ. floppy disk), или дискета, - носитель небольшого объема информации, представляющий собой гибкий пластиковый диск в защитной оболочке. Используется для переноса данных с одного компьютера на другой и для распространения программного обеспечения.

Дискета состоит из круглой полимерной подложки, покрытой с обеих сторон магнитным окислом и помещенной в пластиковую упаковку, на внутреннюю поверхность которой нанесено очищающее покрытие. В упаковке сделаны с двух сторон радиальные прорези, через которые головки считывания/записи накопителя получают доступ к диску.

Накопитель связан с процессором через контроллер гибких дисков.

§ Накопители на жестких магнитных дисках.

Если гибкие диски – это средство переноса данных между компьютерами, то жесткий диск – информационный склад компьютера.

Накопитель на жестких дисках (англ. HDD – Hard Disk Drive), или винчестерский накопитель, - это наиболее массовое запоминающее устройство большой емкости, в котором носителями информации являются круглые алюминиевые пластины – плоттеры, обе поверхности которых покрыты слоем магнитного материала. Используется для постоянного хранения информации – программ и данных.

Как и у дискетки, рабочие поверхности плоттеров разделены на кольцевые концентрические дорожки, а дорожки – на секторы.

Головки считывания-записи вместе с их конструкцией и дисками заключены в герметически закрытой корпус, называемый модулем данных.

Носителем информации является CD-ROM (Compact Disk Read-Only Memory – компакт-диск, из которого можно только читать). CD-ROM представляет собой прозрачный полимерный диск диаметром 12 см и толщиной 1,2 мм, на одну сторону напылён светоотражающий слой алюминия, защищенный от повреждений слоем прозрачного лака. Информация на диске представляется в виде последовательности впадин (углублений в диске) и выступов (их уровень соответствует поверхности диска), расположенных на спиральной дорожке, выходящей из области вблизи оси диска.

CD-ROM обладают высокой удельной информационной емкостью, что позволяет создавать на их основе справочные системы и учебные комплексы с большой иллюстративной базой.

Для работы с CD-ROM нужно подключить к компьютеру накопитель CD-ROM преобразующий последовательность углублений и выступов на поверхности CD-ROM в последовательность двоичных сигналов. Для этого используется считывающая головка с микролазером и светодиодом.

§ Записывающие оптические и магнитооптические накопители

Записывающий накопитель CD-R (Compact Disk Recordable) способен, наряду с прочтением обычных компакт-дисков, записывать информацию на специальные оптические диски емкостью 650 Мбайт.

В дисках CD-R о и отражающий слой выполнен из золотой пленки. Между этим слоем и поликарбонатной основой расположен регистрирующий слой из органического материала, темнеющего при нагревании. В процессе записи лазерный луч нагревает выбранные точки слоя, которые темнеют и перестают пропускать свет к отражающему слою, образуя участки, аналогичные впадинам. Накопители CD-R, благодаря сильному удешевлению, приобретают все большее распространение.