Информация, информатика, информационное общество 1 глава

Рассматривая историю человеческого общества с точки зрения развития и смены основных технологий, которые люди использовали в своей деятельности, можно выделить три больших исторических периода.

1) Первобытное общество. Основными видами деятельности в первобытном обществе являлись охота и собирательство. Соответственно, основные технологии обеспечивали эту деятельность (например, технологии изготовления копья или лука, методы выслеживания и загона добычи, методы поиска съедобных растений и т.д.).

2) Аграрное общество, к которому можно отнести рабовладельческий и феодальный периоды развития общества. Основным видом деятельности в аграрном обществе являлась сельскохозяйственная деятельность, соответственно, основными технологиями были сельскохозяйственные технологии.

3) Индустриальное общество, в котором основным видом деятельности становится промышленная деятельность. Соответственно, основными технологиями становятся промышленные технологии, основным предметом труда становятся запасы недр Земли (руды, нефть, газ и т.д.), основными объектами собственности становятся промышленные предприятия, предприятия энергетики, транспортные предприятия и т.д.

Развитие индустриального общества привело к единой системе мирового хозяйства, основанного на общемировом разделении труда, имеющего общемировые энергетическую и транспортную инфраструктуры, общемировую интеграцию товарных и хозяйственных рынков. Все это в совокупности образовало единую общемировую индустриальную среду, являющуюся основой современного общества.

Однако сейчас, по мнению многих специалистов, человечество стоит на пороге нового качественного изменения состояния общества. Это изменение началось в результате научно-технической революции (НТР) в ХХ веке и проявилось в неуклонно возрастающей роли информации в любой сфере деятельности. Появилась возможность, используя научно-технические достижения, постоянно модернизировать производство, создавать новые виды товаров и услуг, формировать новые сегменты рынков и за счет этого побеждать в конкурентной борьбе. В результате оказалось, что конкурентоспособность товаров и услуг напрямую зависит от их "интеллектуальности", информационной насыщенности. При этом роль информационной составляющей возрастала для всех элементов бизнес-процессов, включая исследование рынка, материальное и финансовое обеспечение производства, технологию производства, продвижение товара и т.д.

Процесс резкого увеличения информационной составляющей всех товаров и услуг начался в середине ХХ века. Примерно в то же время появляются первые электронно-вычислительные машины (ЭВМ) и начинается процесс развития вычислительной техники. Первые ЭВМ использовались в основном для решения научных задач. Дальнейшее развитие вычислительной техники приводит к появлению компьютера в современном понимании этого слова - универсального устройства для хранения и обработки информации любого типа.

На начальном этапе процесс "информатизации" бизнеса и процесс развития компьютерной техники не были напрямую связаны между собой. Однако, со временем эти процессы объединились, формируя экономико-информационную среду совершенно нового типа. Все возрастающая информационная часть экономики становилась все более мощной, все более независимой от материальных носителей и требовала специфической (информационной) среды для своего существования и развития. И инфраструктура, появившаяся в результате развития компьютерной техники, как раз и оказалась такой идеальной средой, в которой оказалось возможным реализовывать технологии нового типа – информационные технологии, результатом которых является создание новых информационных объектов. Появившись, такие объекты тоже становятся частью общей информационной среды. Количество и разнообразие информационных объектов, формирующих общемировую информационную среду, неуклонно возрастает. Это электронные документы, базы данных, экспертные системы, почтовые сообщения, электронные платежи и т.д. Основными компонентами информационных объектов являются файлы данных различных форматов и программы, обрабатывающие эти данные, причем информационный объект возникает только как результат работы соответствующей программы.

В процессе развития глобальной информационной среды стали появляться информационные объекты, относящиеся ко всем аспектам человеческой жизни – к культуре, быту, спорту, отдыху и т.д. Все это позволило говорить о появлении "виртуальной реальности" – цельного информационного мира – аналога реального мира и дополнения к нему.

Со временем все большее количество людей оказывается вовлеченными в этот виртуальный мир, используя его для работы, быта, отдыха и т.д. Основным ресурсом этого мира является информация. Результатом работы в виртуальном мире также является информация. Соответственно, объектом собственности в виртуальном мире также является информация. Когда доля "виртуального мира" окажется основной в жизни и деятельности людей, можно будет говорить о переходе человеческого общества в новое состояние - в информационное общество, определяемое следующим образом.

Информационное общество – это общество, в котором основным предметом труда, основным результатом труда и объектом собственности является информация. Основными технологиями в информационном обществе становятся информационные технологии. В процессе перехода к информационному обществу работа с компонентами глобальной информационной среды становится основной работой для всё увеличивающегося количества людей. Этот фактор можно считать основополагающим, поэтому возможно другое определение: информационное общество – это общество, в котором большая часть трудоспособного населения занимается получением, преобразованием, транспортировкой и хранением информации.

В связи с возрастающей ролью информационных технологий в современном обществе возрастает и роль информационных наук. К информационным наукам относятся науки связанные с разработкой и эксплуатацией компьютерной техники, с системным и прикладным программированием, с компьютерным моделированием различных процессов, с формированием и эксплуатацией различных баз данных, с разработкой и эксплуатацией систем автоматизированного управления и т.д. Большинство информационных наук имеет прикладную направленность. Однако, в связи с бурным развитием информационных технологий, появилась необходимость создания единой фундаментальной научной основы всех информационных наук.

В любой области знания есть фундаментальные науки, которые исследуют основные базовые закономерности этой области знания, и есть прикладные науки, которые обеспечивают решение конкретных задач. Например, в области математических наук есть фундаментальная математика, и есть прикладные дисциплины, занимающиеся применением математики в различных сферах человеческой деятельности (для экономико-финансовой сферы это экономико-математические методы, эконометрика, теория массового обслуживания, финансовая математика и др.).

В области информационных наук в настоящее время формируется общая фундаментальная дисциплина, которая называется информатикой, и краткое знакомство с которой составляет главную цель данного пособия.

В отличие от многих других областей знаний, структура которых сложилась десятилетиями и даже веками, структура информатики пока жестко не сформировалась. Информатика – очень молодая наука, находящаяся в процессе формирования.

«Информатика» - это французское слово, составленное из двух слов – «информация» и «автоматика». Такое название дисциплины появилось во Франции и закрепилось в восточноевропейских странах и в России. В англоязычных странах используется другое название этой дисциплины – computer science (компьютерная наука).

Таким образом, информатика – это наука об общих принципах обработки информации при помощи компьютерных средств.

Информатика – это практическая дисциплина. Изучение информатики включает освоение работы с компьютером, с основными системными (операционная система) и с прикладными (офисные приложения и др.) программами. Поэтому существенную часть учебного времени дисциплины занимает компьютерный практикум и приемы практической работы с различными информационными объектами.

Но прежде чем рассматривать практические приемы компьютерной обработки информации, необходимо разобраться с тем, а что же собственно мы будем обрабатывать, т.е. ответить на вопрос «Что такое информация?».

Глава 1.2. Данные, объем данных, биты и байты

Прежде чем давать определение информации, определим более простое понятие, которое также широко используется в информационных науках – понятие данных.

Предположим, что нужно сохранить (скажем, записать на бумаге) или передать кому-то какие-либо сведения.

Рассмотрим самый простой вариант - сведения включают единственную величину, имеющую количественное выражение (например, рост или вес человека, температуру воздуха, стоимость автомобиля, время встречи и т.д.). Каким образом было получено число, выражающее эту величину? Если это вес, то его измерили при помощи весов, если это температура, то ее измерили при помощи термометра, если это время, то его измерили при помощи часов и т.д.

Таким образом, количественная величина чаще всего появляется в результате того или иного измерения. Но любой измерительный прибор, будь то линейка, весы, часы или термометр имеет, во-первых, диапазон измерения, а во вторых, - конечную точность измерения, определяющую дискретный шаг изменения измеряемой величины, поэтому в результате измерения всегда получается одно значение из конечного дискретного набора значений. Например, время в течение суток можно грубо измерить с точностью до часа, в результате чего получится одно из 24-х возможных значений. Это же время можно измерить с точностью до минуты – получится одно из 24·60 возможных значений. Можно измерить время и с точностью до секунды – получится одно из 24·60·60 возможных значений.

Величину, принимающую значение из конечного набора значений будем далее называть дискретной величиной.

Любой набор дискретных величин будем называть данными. Для данных можно ввести понятие объема данных. Рассмотрим некоторую дискретную величину P, принимающую значения в диапазоне от A до B с шагом h. Обозначим через K(P) количество возможных значений дискретной величины P. Очевидно, что . Например, если P – это температура, измеренная градусником в диапазоне от –50º до + 50º с шагом 1º, то K(P) = 101. Величина K(P) как раз и характеризует информационный объем величины P. Однако под объемом данных V(P) для величины P понимают не саму величину K(P), а ее логарифм по основанию 2, округленный сверху до ближайшего целого числа. Это связано с тем, что любые данные в памяти компьютера или любого другого информационного устройства (телефона, фотокамеры, принтера и т.д.) представляются в виде двоичных чисел (более подробно об этом будет рассказано далее). Под объемом данных, соответствующим величине P, понимается минимальная длина двоичного числа, достаточная для представления любого возможного значения этой величины.

Таким образом, объём данных V(P) определяем по формуле

, (1.1)

где черта означает округление сверху до ближайшего целого. Приведенная формула дает результат в единицах, которые называются, битами (bits). Т.е., объем данных V(P), соответствующий дискретной величине P, измеряется в битах.

Можно дать несколько другое по форме определение объема данных. Рассмотрим количество значений K(P) дискретной величины P. Найдем целое число m, удовлетворяющее двойному неравенству

. (1.2)

Тогда объем данных величины P будет равен V(P) = m бит.

Объем данных – это аддитивная величина, т.е. объем данных для нескольких величин равен сумме объемов данных каждой из этих величин:

.

Один бит – это минимальное значение для объёма данных, соответствующее двум возможным значениям дискретной величины (например, 0 и 1). Мельчайшие электронные элементы (триггеры, емкостные ячейки и т.п.), из которых состоит память любых информационных устройств, как раз имеют два возможных состояния («включено» или «выключено»), поэтому каждая такая ячейка представляет один бит данных.

Обычно в представлении данных используются более крупные, чем бит единицы. Так, набор из восьми бит называется байтом.Если через B(P) обозначить объем данных величины P в байтах, то B(P) и V(P) будут связаны следующим соотношением

, (1.3)

где, как и ранее, черта означает округление сверху до ближайшего целого. Байт обычно обозначается английской буквой B, т.е. записи 5B, 17B, 128B означают 5 байт, 17 байт и 128 байт соответственно.

Одному байту соответствует возможных значений, т.е. при помощи одного байта можно представить значения от 0 до 255.

Еще более крупные единицы объема данных – килобайт (kB), мегабайт (MB), гигабайт (GB), терабайт (TB) определяются соотношениями

(1.2.4)

Примеры различных дискретных величин и соответствующих объемов данных представлены в следующей таблице.

Глава 1.3. Битовое и байтовое представление чисел. Системы счисления

Мы выяснили, сколько необходимо бит или байт, чтобы записать любое значение некоторой дискретной величины. Выясним теперь, как записать какое-либо конкретное значение этой величины в виде последовательности бит.

Пусть, например, дискретная величина – рост человека и мы хотим записать конкретное значение этой величины, скажем, p = 175.

Мы определили (см. таблицу в конце предыдущей Главы), что для записи роста человека нам потребуется 9 бит. Но в какие значения нужно установить каждый из этих 9 бит, чтобы получилось именно 175 ?

Чтобы понять, как представляются числа в виде бит, проанализируем сначала представление чисел в хорошо всем знакомой десятичной системе счисления (строгое определение системы счисления дадим ниже). Запись 175 – состоит из 3-х символов – “1”, “7” и “5” записанных в строго определенном порядке (751 или 517 – это совсем другие числа). Эти символы называются цифрами и выбираются из фиксированного набора десяти цифр “0”, “1”, “3”, “4”, “5”, “6”, ”7”, “8”, “9”.

Способ записи чисел при помощи фиксированного набора символов (цифр) называется системой счисления. Если в записи числа важен порядок расположения цифр, то система счисления называется позиционной. Далее мы будем рассматривать только позиционные системы счисления.

Суть преобразования последовательности цифр в число в любой позиционной системе счисления заключается в соглашении о разрядах. Разряды нумеруются справа налево, начиная с 0, цифра стоящая в k-ом разряде означает количество единиц этого разряда.

Чтобы понять, что такое разряд, рассмотрим следующий пример интерпретации того же числа 175. Пусть у нас есть 175 каких-либо элементов, например, 175 яблок. Предположим, что у нас есть коробки фиксированных размеров, в которые мы можем эти яблоки упаковывать, причем, в самые маленькие коробки помещается ровно 10 яблок, в коробки побольше помещается ровно 10 маленьких коробок и т.д. Будем упаковывать яблоки в коробки следующим образом. Начнем укладывать яблоки в маленькие коробки, как только у нас наберется 10 маленьких коробок – уложим их в одну большую и т.д. В результате этого процесса у нас получится 1 заполненная большая коробка, 7 заполненных маленьких коробок и еще 5 оставшихся яблок. Это и есть значения десятичных разрядов. Наш результат можно записать в следующем виде: 175 = 1·10²+ 7·10+ 5.

Предположим теперь, что в маленькую коробку помещается не 10, а 8 яблок, а в большую не 10, а 8 маленьких коробок и т. д. Если мы проведем процесс упаковки яблок в эти коробки, то получится следующее. Т.к. полностью заполненная большая коробка должна включать 8 маленьких, т.е. 8·8 = 64 яблока, то 2 полностью заполненных больших коробки будут содержать 2·64 = 128 яблок, а для того, чтобы полностью заполнить 3 больших коробки потребовалось бы 3·64 = 192 яблока. Т.к. яблок у нас 175 < 192, то заполненных больших коробок будет 2. Оставшиеся 175 – 128 = 47 яблок упакуются в 5 маленьких коробок и еще останется 47 - 5·8 = 7 яблок. В результате получатся 2 больших коробки, 5 маленьких и еще 7 яблок. Процедура, которую мы проделали, соответствует представлению числа 175 в восьмеричной, системе счисления. Наш результат записывается так 175 = (257)₈ или 175 = 2·8²+ 5·8+ 7. Ясно, что в восьмеричной системе могут быть только 8 цифр: “0”, “1”, “2”, “3”, “4”, “5”, “6”, “7”.

Как видим, для представления числа 175 в десятичной, и в восьмеричной системах счисления необходимо 3 разряда (2 типа коробок + 1 разряд для оставшихся яблок).

Аналогично можно представить число 175 в двоичной системе счисления – для этого нужно упаковать яблоки в коробки с емкостями, последовательно увеличивающимися в 2 раза: в маленькую коробку должно помещаться 2 яблока, в коробку следующего размера – 2 маленьких коробки и т.д. При этом 3-х разрядов уже не хватит, необходимо будет использовать 8 разрядов:

175 = (10101111)₂ = 1·2⁷+0·2⁶+1·2⁵+0·2⁴+1·2³+1·2²+1·2¹+1.

Дадим теперь строгое определение системы счисления с основанием q.

Будем считать, что задана система счисления с основанием q, если задано натуральное число q > 1 и набор из q символов {e_i}, причем, каждому из символов e_i поставлено в соответствие численное значение 0 до q-1, так что между множеством символов {e_i} и множеством чисел {0, 1, 2, … q-1} установлено взаимнооднозначное соответствие. При этом q называется основанием системы счисления, а символы {e_i} - цифрами.

Любое натуральное число p при этом можно представить в виде

(1.3.1)

или в позиционной записи

(1.3.2).

Рациональные числа также могут быть представлены в виде (1.3.1), если использовать кроме положительных еще и отрицательные степени q, при этом в записи (1.3.2) появится разделитель (запятая или точка), отделяющий целую часть от дробной.

Несколько слов о соглашениях при позиционной записи чисел. Основание 10 опускается, поэтому вместо (187)₁₀ пишут просто 187. Вместо основания 16 часто используется значок “#”, т.е. #187 = (187)₁₆. Часто также основание опускается, когда из контекста ясно, какая именно система счисления используется.

Рассмотрим преобразование чисел из системы счисления с основанием q в десятичную систему счисления и обратно.

Перевод в десятичную систему дает формула (1.3.1), если значения e_i и q выражены в десятичной системе. Например,

Перевод числа десятичного числа p в систему счисления с основанием q производится несколько сложнее, т.к. необходимо вместо умножения на q использовать деление. Из выражения (1.3.1) следует, что деление нацело p/q дает в результате целое число и остаток e_0. Деление нацело p₁ на q дает и остаток e₂ и т.д. Таким образом, цифрами для представления числа p в системе счисления с основанием q являются остатки, получающиеся при последовательном делении нацело на q сначала числа p, потом результата деления p₁ и т.д. При записи числа эти остатки необходимо расположить справа налево.

Например, переведем число 483 в восьмеричную запись

Таким образом, 483 = (743)₈.

Рассмотрим теперь две основные системы счисления, используемые в компьютерных системах – двоичную и шестнадцатеричную.

В двоичной системе q = 2, e_i={0, 1}. Каждый двоичный разряд представляет 1 бит данных. Биты почти всегда группируются в байты по 8 бит, т.е. каждый байт состоит из 8 двоичных разрядов с номерами от 0 до 7. Младший (нулевой) разряд – самый правый. Перевод конкретного значения дискретной величины в набор бит сводится к переводу записи числа в двоичную систему счисления. Например, задача записи числа 175 в виде битовой последовательности решается следующим образом:

т.е. 175 = (10101111)₂. Битовая последовательность из 9 бит, представляющая число 175 будет выглядеть в виде схемы , где затемненными квадратиками обозначены биты, установленные в 1, а пустыми квадратиками – биты установленные в 0. Приведенная схема соответствует компьютерному представлению числа 175.

В шестнадцатеричной системе счисления q =16, поэтому должно быть 16 цифр. В качестве первых десяти цифр (от 0 до 9) можно использовать обычные десятичные цифры, но для последних шести (имеющих значения от 10 до 15) необходимо использовать какие-то дополнительные символы. В качестве таких символов используются первые 6 букв латинского алфавита A, B, C, D, E, F, при этом считается, что A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15. Таким образом, набор цифр шестнадцатеричной системы счисления e_i={0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F}.

В шестнадцатеричной системе счисления очень удобно записывать значения байт, т.к. один байт всегда представляется двузначным шестнадцатеричным числом.

Приведем примеры перевода чисел из шестнадцатеричной системы в десятичную.

Примеры обратного перевода

В заключение отметим, что любой перевод чисел между четырьмя основными системами счисления – десятичной, восьмеричной, двоичной и шестнадцатеричной можно легко осуществлять при помощи стандартной программы Калькулятор, входящей в состав операционной системы Windows. Для этого Калькулятор нужно перевести в инженерный вид (Вид/Инженерный), после чего точечным переключателем выбрать исходную систему счисления (Dec-десятичная, Hex-шестнадцатеричная, Bin-двоичная, Oct-восьмеричная) и ввести число. Затем изменить переключателем систему счисления – число окажется записанным в новой системе.

Глава 1.4. Методы обработки данных. Элементарные методы (команды)

Мы выяснили, как представляются любые данные в виде двоичной последовательности. Может быть, эта последовательность и есть информация, и мы, таким образом, определили основной предмет изучения информатики? Оказывается – нет. Информация содержит кроме данных еще один очень важный компонент – методы обработки данных.

Рассмотрим, например книгу, написанную на каком-либо языке. Для человека – носителя языка в книге может содержаться много полезной информации. Для человека, плохо владеющего языком, информации там содержится гораздо меньше. Если язык книги человеку неизвестен вообще – он не получит никакой информации (здесь используется понятие «информация» в интуитивном смысле, строгое определение будет дано позже).

Этот пример показывает, что для получения информации недостаточно просто получить данные – необходимо их правильно обработать, т.е. применить адекватные методы обработки данных. Для того, чтобы прочитать книгу, нужно знать язык, на котором она написана, т.е. другими словами, владеть методом понимания языка. Но это не единственный метод, необходимый для того, чтобы извлечь из книги информацию. Необходимо также владеть методом зрительного восприятия, и желательно – методом правильного осознания прочитанного. Если более детально проанализировать процесс извлечения информации из книги, то найдется еще достаточно много методов, которые для этого необходимы, например, способ (метод) освещения, метод переворачивания страниц и т.д.

Из одного и того же объекта можно получить разную информацию, если использовать разные методы доступа к данным. Например, если дать ту же книгу собаке, то она, скорей всего, обнюхает ее (применит метод обнюхивания) и получит информацию о том, что книга несъедобна, о том принадлежит ли она хозяину или кому-то другому и т.д., т.е. получит много информации, но совсем не той, которую закладывал в книгу автор.

Аналогичных примеров можно привести много, и доказывают они одно – без метода доступа к данным нет информации.

Методы, которые используют люди для обработки данных – многочисленны и весьма разнообразны, эти методы исследуют не только точные, но и гуманитарные науки, а также литература и искусство. Вряд ли в настоящее время возможно построение единой системы классификации этих методов.

Однако задача информатики не стоит так широко. Для нас достаточно понять, как строятся методы обработки данных в компьютерных системах. Эта задача значительно проще. Оказывается, все компьютерные методы обработки данных строятся по общим законом.

В любой компьютерной системе существует фиксированный набор элементарных методов, которые называются командами. Выполнение всех команд происходит в специальном устройстве компьютера, которое называется процессором, поэтому элементарные команды называются командами процессора.

В принципе, разные процессоры (и, соответственно, разные компьютерные системы) могут иметь разные наборы команд. Однако в настоящее время широко используемых наборов процессорных команд не так много и разработчики компьютеров всегда стараются добиться совместимости различных систем команд между собой.

Команды процессора реализуются аппаратно, т.е. заданы при изготовлении процессора.

Каждая команда процессора имеет свой код, т.е. число, которое необходимо загрузить в специальную ячейку (регистр) процессора, для того, чтобы команда выполнилась. Большинство команд выполняются над данными и без данных теряют смысл. Например, чтобы сложить 2 числа A и B, нужно загрузить в один из регистров код команды сложения, но в другие регистры при этом должны быть загружены сами числа A и B, иначе команда сложения не будет иметь смысла.

Любой метод компьютерной обработки данных состоит из элементарных методов, т.е. из команд процессора. Однако, как было сказано, многие команды без данных теряют смысл, поэтому при построении сложного метода обработки данных часть данных встраивается в метод.

Такой сложный метод обработки данных, построенный из команд процессора и частично – из встроенных данных, называется компьютерной программой.

Если компьютерная программа записана и хранится на каком-либо носителе данных (на жестком диске, сменном носителе и т.п.), то он ничем не отличается от простого набора данных, т.к. записанные коды команд – данные. Но любая программа обладает одной особенностью – ее можно активизировать (запустить). Для этого программу нужно сначала загрузить в оперативную память компьютера, а затем загрузить в регистр процессора адрес первой команды программы. После этого все команды программы начнут выполняться последовательно. Строгая последовательность выполнения команд программы может нарушаться специальными командами перехода. Это позволяет организовывать ветвление по условию, циклическое многократное выполнение некоторых блоков в программе и в результате – реализовывать алгоритмы любой степени сложности.

Отметим, что, строго говоря, программой следует считать метод, построенный только из элементарных команд, и использующий данные в качестве обрабатываемого материала. Однако современное развитие информационных технологий приводит к тому, что все труднее разделить данные и методы их обработки. Они срастаются в единое целое, формируя единые структуры – информационные объекты (о них мы поговорим в следующей теме).

Глава 1.5. Информационные объекты. Свойства и примеры

Понятие информации является одним из самых сложных и фундаментальных понятий в современной науке. Существующие в настоящее время подходы к трактовке этого понятия можно разбить на 3 большие группы.