Свойства информации. Единицы измерения количества информации

1. Информация. Свойства информации. Единицы измерения количества информации

Базовые понятия

Информация, подходы к определению информации, виды информации, свойства информации; бит, байт, ки-лобайт; вероятностный подход к измерению информа-ции, объемный подход к измерению информации.

Обязательно изложить

Информация относится к фундаментальным, неопреде-ляемым понятиям науки информатика. Тем не менее смысл этого понятия должен быть разъяснен. Предпримем по-пытку рассмотреть это понятие с различных позиций.

Термин информация происходит от латинского слова informatio, что означает сведения, разъяснения, изложение. В настоящее время наука пытается найти общие свойства и закономерности, присущие многогранному понятию информация, но пока это понятие во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполне-ния в различных отраслях человеческой деятельности:

* в быту информацией называют любые данные, све-дения, знания, которые кого-либо интересуют. Напри-мер, сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т.п.;

* в технике под информацией понимают сообще-ния, передаваемые в форме знаков или сигналов (в этом случае есть источник сообщений, получатель (прием-ник) сообщений, канал связи);

* в кибернетике под информацией понимают ту часть знаний, которая используется для ориентирова-ния, активного действия, управления, т.е. в целях со-хранения, совершенствования, развития системы;

* в теории информации под информацией пони-мают сведения об объектах и явлениях окружающей

От редакции. В № 6--9 мы опубликовали материалы для подготовки к экзамену в 9-м классе. Начиная с этого номера бу-дут публиковаться материалы для 11-го класса. При этом мы рас-сматриваем билеты для уровня Б (см. № 5), так как билеты для уровня А являются их подмножеством.

среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся степень неопределенности, не-полноты знаний о них.

Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понимают некоторую последователь-ность символических обозначений (букв, цифр, закоди-рованных графических образов и звуков и т.п.), несу-щую смысловую нагрузку и представленную в понят-ном компьютеру виде. Каждый новый символ в такой последовательности символов увеличивает информаци-онный объем сообщения.

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. (приведите примеры других видов существо-вания информации).

Свойства информации (с точки зрения бытового подхода к определению информации):

* релевантность -- способность информации соот-ветствовать нуждам (запросам) потребителя;

* полнота -- свойство информации исчерпывающе (для данного потребителя) характеризовать отображае-мый объект или процесс;

* своевременность -- способность информации со-ответствовать нуждам потребителя в нужный момент времени;

* достоверность -- свойство информации не иметь скрытых ошибок. Достоверная информация со време-нем может стать недостоверной, если устареет и пере-станет отражать истинное положение дел;

* доступность -- свойство информации, характе-ризующее возможность ее получения данным потре-бителем;

* защищенность -- свойство, характеризующее не-возможность несанкционированного использования или изменения информации;

* эргономичность -- свойство, характеризующее удоб-ство формы или объема информации с точки зрения данного потребителя.

1 бит -- минимальная единица измерения информа-ции, при вероятностном подходе к измерению информа-ции, принятом в теории информации, это количество ин-формации, уменьшающее неопределенность знаний в 2 раза.

Связь между единицами измерения информации: ** 1 байт = 8 бит,

* 1 Кб (килобайт) = 2ю (1024) байт = 213 бит;

* 1 Мб (мегабайт) = 210 (1024) Кб = = 2го (1048576) байт = 223 бит;

* 1 Гб (гигабайт) = 210Мб = 220 Кб = 230 байт =

= 233 бит;

* 1 Тб (терабайт) = 210 Гб = 220Мб = 230 Кб = = 240 байт = 243 бит.

При объемном подходе к измерению информации, характерном для компьютерной обработки данных, ин-формативность сообщения определяется количеством символов, его составляющих.

Желательно изложить

Сравнительная характеристика различных подходов к определению термина "информация". Место инфор-мации в системе "вещество, энергия, информация".

Легализация понятия "информация" с точки зрения компьютерной обработки данных разнообразной природы.

Понятие информации в философии.

Примеры, характеризующие свойства информации, определяемой с бытовой точки зрения.

Детализация понятия "бит" с точки зрения вероят-ностного подхода к измерению информации. Философ-ские и математические аспекты. Примеры.

Пример решения задачи с использованием разных единиц измерения информации.

Примечания для учителей

Изучаемый вопрос находится на стыке философии, информатики, математики. Границы принадлежности указанного материала к той или иной науке достаточно условны. Важно донести это до учащихся. Проблемы введения понятия "информация" как фундаментально-го понятия информатики можно сравнить с проблема-ми аксиоматического подхода к изучению стереомет-рии в школьном курсе геометрии.

Чаще всего абстрактные вопросы малоинтересны уча-щимся, вызывают внутреннее отторжение. Поэтому в данной ситуации важен мотивационный момент.

Примечание для учеников

Первая часть вопроса представляется достаточно слож-ной, затрагивает определенные философские проблемы. Необходимо сравнить, как определяется понятие "ин-формация" в различных литературных и учебных ис-точниках,-привлечь дополнительные материалы.

Ссылка на материалы вопроса

"Информатика" № 13, с. 9 -- 11; № 18, с. 19/2002.

2. Основы языка разметки гипертекста (HTML) Базовые понятия

Разметка документа, языки разметки документов, Hyper Text Markup Language, тэг (tag), структура HTML-документа, основные тэги HTML.

Обязательно изложить

Hyper Text Markup Language (HTML) является стан-дартным языком, предназначенным для создания ги-пертекстовых документов в среде Web. HTML-документы могут просматриваться различными типами браузеров (специальными программами, интерпретирующими та-кого рода гипертекстовые документы), наиболее извест-ным из которых является Internet Explorer. В отличие от документов, например текстового процессора Microsoft Word, документы в формате HTML не орга-низованы по принципу WYSIWYG (What You See Is What You Get -- что видишь, то и получишь [при вы-воде на печать или монитор] ). Когда документ создан с использованием HTML, браузер должен интерпретиро-вать HTML для выделения различных элементов доку-мента и первичной их обработки с целью их дальней-шего отображения в виде, задуманном автором.

Большинство документов имеют стандартные элемен-ты, такие, как заголовки, параграфы или списки. Ис-пользуя тэги (команды) HTML, можно обозначать дан-ные элементы, обеспечивая браузеры минимальной ин-формацией для их отображения, сохраняя в целом об-щую структуру и информационную полноту докумен-тов. В большинстве случаев автор документа строго оп-ределяет внешний вид документа. В случае HTML чита-тель (основываясь на возможностях браузера) может в определенной степени управлять внешним видом доку-мента (но не его содержимым). HTML позволяет от-метить, где в документе должен быть заголовок или аб-зац, при помощи тэга HTML, а затем предоставляет браузеру интерпретировать эти тэги.

Общая структура тэга и его содержимого такова: <тэг параметр_1=значение_1 параметр_2=значение_2 ... параметр_К=значение_К>содержимое элемента</тэг>

Любой HTML-документ имеет следующую структуру:

<HTML> <HEAD>

<!-- заголовок документа --> </HEAD> <BODY>

<!-- содержание документа --> </BODY> </HTML>

Заголовок содержит служебную информацию, в част-ности, предназначенную для поисковых систем.

Все тэги, которые предназначены для оформления до-кумента, могут быть условно разделены на несколько групп:

* форматирование;

* верстка таблиц;

* верстка списков;

* формирование гиперссылок;

* вставка изображений.

Тэт верстки, таблиц позволяют формировать и отобра-жать таблицы произвольной сложности. Вообще дизайне-ры довольно часто используют таблицы для оформления страниц, помещая в них меню, текст, рисунки и т.д.

Тэги верстки списков позволяют формировать мар-кированные и нумерованные списки.

Гипертекстовый документ невозможно представить себе без ссылок на другие документы (внутренние или внешние). Ссылки формирует тэг <А>...</А> -с обязательным параметром HREF.

Тэг для отображения рисунков -- <IMG>. Он не имеет закрывающегося тэга и содержит обязательный параметр SRC, значением которого является адрес фай-ла с рисунком {относительный, т.е. на данном сайте, но, например, в другом каталоге, или абсолютный, если рисунок, например изображение счетчика, подгружает-ся с другого сайта).

Современные web-конструкторы и дизайнеры пользу-ются не только HTML, но и рядом его расширений, например, каскадными таблицами стилей (CSS), уп-равляют содержанием страниц средствами программи-рования.

Желательно изложить

Примеры других программных продуктов для раз-метки документов, принцип их действия.

Заголовок HTML-документа и назначение его эле-ментов.

Тэги форматирования текста и примеры их исполь-зования.

Тэги верстки таблиц и примеры их использования.

Тэги верстки списков и примеры их использования.

Графические форматы для web. Правила сохранения изображений для web, требования к изображениям. Па-раметры тэга IMG.

Понятие о CSS, языках программирования для web. Исполнение программ и скриптов на стороне сервера и клиента.

Примечания для учителей

Вопрос билета является в достаточной мере объем-ным, , поэтому наилучшее запоминание и усвоение ма-териала может быть достигнуто хорошей его структу-ризацией.

Следует отметить, что учащиеся, занимавшиеся верст-кой web-страниц без использования визуальных редакторов (Front Page и др.), окажутся в гораздо более выигрышном положении перед учащимися, выполнявшими такого рода работу только с помощью указанных редакторов.

Примечание для учеников

Для успешного освоения материала данного вопроса достаточно сверстать вручную (без использования визу-ального редактора) 2--3 страницы HTML-документов. Это поможет понять смысл и назначение основных тэ-гов HTML.

Использованные источники информации

1. Усенков Д. Уроки web-мастера. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001, 432 с.

2. Мат&риалы вопроса // "Информатика" № 5, с. 13-22, 2003.

3. Практическое задание на поиск информации в глобальной компьютерной сети Интернет

Принципы составления задания

При составлении заданий следует учесть, чтобы ис-комая информация была достаточно доступной, актуальной, представляла познавательный интерес для учащихся. В случае невозможности реального поиска в глобальной сети следует воспользоваться програм-мами -- имитаторами поиска или осуществлять по-иск в локальной сети (Еремин Е.А. Имитатор поиско-вой машины как эффективное средство обучения по-иску информации в Интернете. // "Информатика" №45, с. 15-20, 2001).

Примеры заданий

"Информатика" № 5, с. 13--22, 2003.

БИЛЕТ № 2

I |8 1. Информационные процессы. Хранение, не- i

| § редача и обработка информации. .

g 2. Основы алгоритмического программирования '

I g (типы данных, операторы, функции, процедуры и т.д.). I

|s 3. Основные этапы инсталляции программно- |

!« го обеспечения. Практическое задание. Инстал- I

i у* ляция программы с носителя информации (дис- .

кет, дисков CD-ROM).

1. Информационные процессы. Хранение, передача и обработка информации

Базовые понятия

Информационный процесс, восприятие информации, передача информации, получение информации, обработ-ка информации, хранение информации, информацион-ная деятельность человека

Обязательно изложить

Под информационным, понимают процесс, связанный с определенными операциями над информацией, в ходе которого может измениться содержание информации или форма ее представления. В информатике к таким процессам относят получение, хранение, передачу, об-работку, использование информации.

Получение информации основано на отражении раз-личных свойств объектов, явлений и процессов окружаю-щей среды. В природе такого рода отражение выража-ется в восприятии с помощью органов чувств. Человек пошел дальше по этому пути и создал множество при-боров, которые многократно усиливают природные спо-собности к восприятию.

Человек воспринимает с помощью органов чувств сле-дующую информацию:

* визуальная (восприятие зрительных образов, раз-личение цветов и т.д.) -- с помощью зрения;

* звуковая (восприятие музыки, речи, сигналов, шума и т.д.) -- с помощью слуха;

* обонятельная (восприятие запахов) -- с помощью обоняния;

* вкусовая (восприятие посредством вкусовых рецеп-торов языка) -- с помощью вкуса;

* тактильная (посредством кожного покрова восприя-тие информации о температуре, качестве предметов и т.д.) -- с помощью осязания.

Хранение информации имеет большое значение для многократного использования информации, передачи информации во времени.

Передача информации необходима для того или ино-го ее распространения. Простейшая схема передачи такова:

источник информации -- канал связи -- прием-ник {получатель) информации

Для передачи информации с помощью технических средств необходимо кодирующее устройство, предназ-наченное для преобразования исходного сообщения ис-точника информации к виду, удобному для передачи, и декодирующее устройство, необходимое для преобра-зования кодированного сообщения в исходное.

Обработка информации подразумевает преобразова-ние ее к виду, отличному от исходной формы или со-держания информации.

Наиболее общая схема обработки информации такова: входная информация -- преобразователь инфор-мации -- выходная информация

Процесс изменения информации может включать в себя, например, такие действия: численные расчеты, ре-дактирование, упорядочивание, обобщение, системати-зация и т.д.

Деятельность человека, которая связана с процесса-ми получения, преобразования, накопления, передачи и использования информации, управления, называют ин-формационной деятельностью.

Основные вехи в процессе развития и совершенство-вания информационной деятельности человека перечис-лены ниже.

Появление речи. Значительно расширило возможнос-ти информационной деятельности человека, в особен-ности передачи информации.

Возникновение письменности. Дало возможность дол-говременного хранения информации и передачи накоп-ленных знаний и культурных ценностей последующим поколениям.

Изобретение книгопечатания. Революция в мире ти-ражирования знаний, хранящихся в письменном виде. Расширение научной информации, развитие художе-ственной литературы и т.д.

Изобретение ЭВМ -- универсальных инструментов информационной деятельности.

Желательно изложить

Провести аналогию между информационной дея-тельностью человека и реализацией информационных

процессов в электронных вычислительных машинах. Привести примеры информационной деятельности че-ловека.

Охарактеризовать основные вехи в процессе раз-вития и совершенствования информационной дея-тельности человека. Почему компьютер является уни-версальным инструментом информационной деятель-ности?

Примечание для учителей

Данный вопрос является общим по информацион-ным процессам. Детализированное изложение предпо-лагается в других билетах. Поэтому следует ограничить-ся общим обзором с примерами по каждому виду дея-тельности.

Примечание для учеников

Необходимо выполнить полный обзор информаци-онных процессов, привести примеры по каждому из них. Обзор выполнить в общем виде, подробности из-лагаются в других билетах.

Ссылка

"Информатика" № 13, с. 9--13, 2002.

2. Основы алгоритмического программирования (типы данных, операторы, функции, процедуры и т.д.)

Базовые понятия

Аргументы и результаты алгоритма, промежуточные величины.

Тип данных (определяет, какие значения может при-нимать величина, какие операции над ней можно вы-полнять и как она хранится в памяти машины).

Простые и сложные типы данных. Простому типу соответствует только одно текущее значение, а слож-ный объединяет несколько.

Операторы: присваивания и управляющие (развил-ка, цикл).

Процедура и функция.

Обязательно изложить

Примечание. Изложение стоит вести применительно к тому языку программирования, который изучался в школе. Из-за наличия некоторых особенностей языков данное замечание может в некоторых деталях оказаться существенным.

В программировании налицо две взаимосвязанные сос-тавляющие процесса решения задачи: собственно дан-ные и инструкции по их обработке, т.е. алгоритм.

Рассмотрение начнем с первой составляющей -- дан-ных. По роли данных в алгоритме различают исходные (входные) данные, выходные (чаще говорят -- резуль-тат) и рабочие (промежуточные) данные.

Каждая величина в алгоритме имеет свой тип. Тип величины определяет, какие значения может принимать величина, какие операции над ней можно выполнять и как она хранится в памяти машины.

БИЛЕТ № 5

1. Функциональная схема компьютера (ос-: новные устройства, их взаимосвязь). Характе-I ристики современных персональных компью-I теров.

2. Технология объектно-ориентированного : программирования (объекты, их свойства и ! методы, классы объектов).

3. Задача. Определение результата выполне-ния алгоритма по его блок-схеме или записи на языке программирования.

1. Функциональная схема компьютера (основные устройства, их взаимосвязь). Характеристики современных персональных компьютеров

Базовые понятия

Функциональные устройства компьютера: процессор, память (внутренняя и внешняя), устройства ввода и вывода информации.

Шина (информационная магистраль) -- основное устройство для переноса информации между блоками компьютера. Ее составляющие: шина адреса, шина данных и шина управления.

Основные характеристики компьютера: процессор -- тактовая частота; ОЗУ и видеопамять -- объем; набор периферийных устройств и возможности их расширения.

Обязательно изложить

Современный компьютер есть сложное электронное устройство, состоящее из нескольких важных функцио-нальных блоков, взаимодействующих между собой.

Главным устройством компьютера является процес-сор. Он служит для обработки информации и, кроме того, обеспечения согласованного действия всех узлов, входящих в состав компьютера.

Для хранения данных и программы их обработки в компьютере предусмотрена память. Информация по решаемым в данный момент задачам хранится в опе-ративном запоминающем устройстве (ОЗУ). Для со-хранения результатов необходимо использовать носи-тель внешней памяти, например, магнитный или оп-тический диск.

Для задания исходных данных и получения инфор-мации о результатах необходимо дополнить компью-тер устройствами ввода и вывода.

Все устройства компьютера взаимодействуют меж-ду собой единым способом через посредство специаль-

ной информационной магистрали или шины. Непос-редственно к шине подсоединяются процессор и внут-ренняя память (ОЗУ и ПЗУ). Остальные устройства для согласования с шиной имеют специальные кон-троллеры, назначение которых состоит в обеспечении стандартного обмена информацией через шину. Шина компьютера состоит из трех частей:

* шина адреса, на которой устанавливается адрес тре-буемой ячейки памяти или устройства, с которым бу-дет происходить обмен информацией;

* шина данных, по которой, собственно, и будет пе-редана необходимая информация;

* шина управления, регулирующая этот процесс.

Рассмотрим в качестве примера, как процессор чи-тает содержимое ячейки памяти. Убедившись, что шина свободна, процессор помещает на шину адреса требу-емый адрес и устанавливает необходимую служебную информацию (операция -- чтение, устройство -- ОЗУ и т.п.) на шину управления. ОЗУ, "увидев" на шине обращенный к нему запрос на чтение информации, из-влекает содержимое необходимой ячейки и помещает его на шину данных (разумеется, реальный процесс зна-чительно более детальный).

Подчеркнем, что на практике функциональная схе-ма может быть значительно сложнее: компьютер мо-жет содержать несколько процессоров, прямые инфор-мационные каналы между отдельными устройствами, несколько взаимодействующих шин и т.д.

Магистральная структура позволяет легко подсоеди-. нять к компьютеру именно те внешние устройства, которые нужны для данного пользователя.

Характеристики персональных компьютеров факти-чески представляют собой совокупность характеристик отдельных устройств, его составляющих (хотя, строго говоря, они должны разумно соответствовать друг дру-гу) . Наиболее важными из них являются следующие.

Главная характеристика процессора -- тактовая час-тота. Такты -- это элементарные составляющие машин-ных команд. Для организации их последовательного вы-полнения в компьютере имеется специальный генератор импульсов. Очевидно, что чем чаще следуют импульсы, тем быстрее будет выполнена операция, состоящая из фиксированного числа тактов. Тактовая частота в совре-менных компьютерах измеряется в гигагерцах, что соот-ветствует миллиардам импульсов в секунду.

С теоретической точки зрения важной характерис-тикой процессора является его разрядность. На прак-тике же все выпускаемые в данный момент процессо-ры имеют одинаковую (причем достаточную для по-давляющего большинства практических целей) разрядность. С другой стороны, при выборе компьютера важ-ное значение имеет набор окружающих процессор микросхем (так называемый "чипсет" ), но детали этого вопроса выходят далеко за рамки билета.

Объемы ОЗУ и видеопамяти также являются важ-ными характеристиками компьютера. Единицей их из-мерения в настоящий момент является мегабайт, хотя в некоторых наиболее дорогих моделях оперативная память уже превышает 1 гигабайт. Еще одной, "более технической", характеристикой является время досту-па к памяти -- время выполнения операций записи или считывания данных, которое зависит от принципа действия и технологии изготовления запоминающих элементов.

По технологии изготовления различают статические и динамические микросхемы памяти. Первая является более быстродействующей, но, соответственно, и более дорогой. В качестве компромиссного решения в совре-менных компьютерах применяется сочетание большого основного объема динамического ОЗУ с промежуточ-ной (между ОЗУ и процессором) статической кэш-па-мятью. Ее объем также оказывает существенное влия-ние на производительность современного ПК.

Важной характеристикой компьютера является его оснащенность периферийными устройствами. Читате-ли легко смогут привести здесь достаточное количество примеров. Хочется только подчеркнуть, что существенна 'также возможность подключения к машине дополни7 тельных внешних устройств. Например, современно-му компьютеру совершенно необходимо иметь разъе-мы USB1, через которые к нему можно подключать множество устройств: от принтера и мыши до флэш-диска и цифрового фотоаппарата.

Желательно изложить

При обращении к внешним устройствам использу-ются специальные регистры, которые принято назы-вать портами.

Обмен по шине между устройствами при опреде-ленных условиях и при наличии вспомогательного кон-троллера может происходить без непосредственного участия процессора. В частности, возможен такой об-мен между периферийным устройством и ОЗУ (пря-мой доступ к памяти).

Оба вида запоминающих микросхем -- статические и динамические -- успешно конкурируют между со-бой. С одной стороны, статическая память значитель-но проще в эксплуатации и приближается по быстро-действию к процессорным микросхемам. С другой сто-роны, она имеет меньший информационный объем и большую стоимость, сильнее нагревается при работе. На практике в данный момент выбор микросхем для построения ОЗУ всегда решается в пользу динамиче-ской памяти. И все же быстродействующая статиче-

1 USB (Universal Serial Bus) -- универсальная последователь-ная шина.

екая память в современном компьютере обязательно есть: она называется кэш-памятью.

Кэш невидим для пользователя, так как процессор использует его исключительно самостоятельно. Кроме сохранения данных и команд, считываемых из ОЗУ, в специальном каталоге кэш запоминаются также адре-са, откуда информация была извлечена. Если информа-ция потребуется повторно, уже не надо будет терять время на обращение к ОЗУ -- ее можно получить из кэш-памяти значительно быстрее. Кэш-память явля-ется очень эффективным средством повышения произ-водительности компьютера.

Примечания для учителей

Если в аналогичном билете 9-го класса упор делался на перечисление основных устройств компьютера, их примеров и функций, то при ответе на выпускном экзамене данный материал служит лишь введением. Основное содержание первой части вопроса служит описанием процесса взаимодействия узлов компьюте-ра через общую информационную шину.

Во второй половине вопроса следует не просто тре-бовать от учеников перечисления характеристик ком-пьютера и их значений, но и разъяснения их сущности и особенно знания тех свойств компьютерной систе-мы, на которых данные характеристики сказываются. Например, какое влияние оказывает недостаточный объем ОЗУ и почему, для каких приложений требует-ся большое количество видеопамяти, а какие вполне работоспособны при минимальном и т.п.

Примечание для учеников

Вопрос довольно объемный, но с практической точ-ки зрения понятный. Поэтому ограничимся единствен-ной рекомендацией: изобразите все упомянутые в рас-сказе блоки компьютера в виде схематического рисун-ка, что значительно 'облегчит объяснения.

Ссылки

Большое количество дополнительного материала по данному билету можно найти в книге Е.А. Еремина "Популярные лекции об устройстве компьютера" (СПб.: BHV-Петербург, 2003).

"Информатика" № 9, 2002, с. И --13.

2. Технология объектно-ориентированного программирования (объекты, их свойства и методы, классы объектов)

Базовые понятия

Парадигма программирования, объектно-ориенти-рованное программирование, объект, метод, инкапсу-ляция, наследование, полиморфизм.

Обязательно изложить

Основополагающей идеей одного из популярных в настоящее время подходов к программированию -- объектно-ориентированного -- является объединение

БИЛЕТ № 6

1. Устройства памяти компьютера. Внешние носи-тели информации (гибкие диски, жесткие диски, диски CD-ROM/R/RW, DVD и др.). Принципы записи и считывания информации.

2. Визуальное объектно-ориентированное програм-мирование. Графический интерфейс: форма и управ-ляющие элементы.

3. Векторная графика. Практическое задание. Соз-дание, преобразование, сохранение, распечатка рисунка в среде векторного графического редактора.

1. Устройства памяти компьютера. Внешние носители информации (гибкие диски, жесткие диски, диски CD-ROM/R/RW, DVD и др.). Принципы записи и считывания информации

Базовые понятия

Внешняя память, накопитель, носитель информации, магнитный носитель, оптический носитель.

Обязательно изложить

Внешняя (долговременная) память -- это место дли-тельного хранения данных (программ, результатов рас-четов, текстов и т.д.), не используемых в данный момент в оперативной памяти компьютера. Внешняя память, в отличие от оперативной, является энергонезависимой. Носители внешней памяти, кроме того, обеспечивают транспортировку данных в тех случаях, когда компьюте-ры не объединены в сети (локальные или глобальные).

Для работы с внешней памятью необходимо наличие накопителя (устройства, обеспечивающего запись и (или) считывание информации) и устройства хранения -- но-сителя.

Основные виды накопителей:

* накопители на гибких магнитных дисках (НГМД);

* накопители на жестких магнитных дисках (НЖМД);

* накопители на магнитной ленте (НМЛ);

* накопители CD-ROM, CD-RW, DVD.

Им соответствуют основные виды носителей:

* гибкие магнитные диски (Floppy Disk)',

* жесткие магнитные диски (Hard Disk);

* кассеты для стримеров и других НМЛ;

* диски CD-ROM, CD-R, CD-RW, DVD-R, DVD-RW. Основные характеристики накопителей и носителей:

* информационная емкость;

* скорость обмена информацией;

* надежность хранения информации;

* стоимость.

Принцип работы магнитных запоминающих уст-ройств основан на способах хранения информации с ис-пользованием магнитных свойств материалов. Как прави-ло, магнитные запоминающие устройства состоят из соб-ственно устройств чтения/записи информации и маг-нитного носителя, на который непосредственно осуще-ствляется запись и с которого считывается информация. Магнитные запоминающие устройства принято делить на виды в связи с исполнением, физико-техническими харак-теристиками носителя информации и т.д. Наиболее часто различают: дисковые и ленточные устройства. Общая тех-нология магнитных запоминающих устройств состоит в намагничивании переменным магнитным полем участков носителя и считывания информации, закодированной как области переменной намагниченности. Дисковые носите-ли, как правило, намагничиваются вдоль концентрических полей -- дорожек, расположенных по всей плоскости дискоидального вращающегося носителя. Запись произво-дится в цифровом коде. Намагничивание достигается за счет создания переменного магнитного поля при помощи головок чтения/записи. Головки представляют собой два или более магнитных управляемых контура с сердечника-ми, на обмотки которых подается переменное напряже-ние. Изменение величины напряжения вызывает измене-ние направления линий магнитной индукции магнитного поля и при намагничивании носителя означает смену зна-чения бита информации с 1 на 0 или с 0 на 1.

Компакт-диск диаметром 120мм (около 4,75") изго-товлен из полимера и покрыт металлической пленкой. Информация считывается именно с этой металлической пленки, которая покрывается полимером, защищающим данные от повреждения. CD-ROM является односторон-ним носителем информации.

Считывание информации с диска происходит за счет регистрации изменений интенсивности отраженного от алюминиевого слоя излучения маломощного лазера. При-емник, или фотодатчик, определяет, отразился ли луч от гладкой поверхности, был рассеян или поглощен. Рассеива-ние или поглощение луча происходит в местах, где в про-цессе записи были нанесены углубления. Фотодатчик вос-принимает рассеянный луч, и эта информация в виде элект-рических сигналов поступает на микропроцессор, который преобразует эти сигналы в двоичные данные или звук.

Скорость считывания информации с CD-ROM срав-нивают со скоростью считывания информации с музы-кального диска (150 Кб/с), которую принимают за еди-ницу. На сегодняшний день наиболее распространенны-ми являются 52-скоростные накопители CD-ROM (ско-рость считывания -- 7500 Кб/с).

Устройства с возможностью многократной записи на оптический диск используют многослойный диск с отра-жающей поверхностью, перед которой находится слой

БИЛЕТ № 8

1. Назначение и состав операционной системы | компьютера. Загрузка компьютера.

2. Законы логики.

3. Практическое задание на построение таблицы

I и графика функции в среде электронных таблиц. I

1. Назначение и состав операционной системы компьютера. Загрузка компьютера

Базовые понятия

Операционная система -- важнейшая часть систем-ного программного обеспечения, которая организует процесс выполнения задач на ЭВМ, распределяя для этого ресурсы машины, управляя работой всех ее уст-ройств и взаимодействием с пользователем.

Ресурсы компьютера: процессорное время, память всех видов, устройства ввода/вывода, программы и данные.

Hardware (компьютерное оборудование) и software (программное обеспечение).

Функции операционной системы.

Обязательно изложить

Операционная система организует совместную ра-боту компьютерного оборудования и прикладного про-граммного обеспечения и служит своеобразным про-граммным расширением управляющего устройства компьютера.

Зачем нужен еще один дополнительный программ-ный слой? По нескольким причинам. Во-первых, не-возможно заложить в компьютер информацию обо всех устройствах, которые к нему могут быть подсоедине-ны. Загружаемая (а следовательно, изменяемая) про-граммная часть, обеспечивающая работу компьютер-ной аппаратуры, решает данную проблему. Во-вторых, наличие операционной системы очень существенно об-легчает разработку нового прикладного ПО, посколь-ку все наиболее часто встречающиеся при работе с компьютерным оборудованием функции сконцентри-рованы в ОС и о них уже не надо заботиться. В-треть-их, пользователь получает стандартный интерфейс для диалога с ПО, что существенно облегчает освоение новых программ.

ОС современного компьютера выполняет следую-щие функции.

* Организация согласованного выполнения всех про-цессов в компьютере. Планирование работ, распреде-ление ресурсов.

* Организация обмена с внешними устройствами. Хранение информации и обеспечение доступа к ней, предоставление справок.

* Запуск и контроль прохождения задач пользователя.

* Реакция на ошибки и аварийные ситуации. Конт-роль за нормальным функционированием оборудования.

* Обеспечение возможности доступа к стандартным системным средствам (программам, драйверам, ин-формации о конфигурации и т.п.).

* Обеспечение общения с пользователем.

* Сохранение конфиденциальности информации в многопользовательских системах.

Значительная часть операционной системы загруже-на в память постоянно. Программы для некоторых редко используемых операций типа форматирования дискет чаще всего оформляются в виде самостоятельных слу-жебных программ и хранятся на внешних носителях. Такие программы часто называют утилитами. Кроме того, в ОС, как правило, включают небольшой стандарт-ный набор самого необходимого программного обеспе-чения, например, простейший текстовый редактор.

Процесс загрузки ОС в заметно упрощенном виде выглядит так. При включении компьютера стартует выполнение программы начальной загрузки, находя-щейся в ПЗУ. Сначала ищется и тестируется установ-ленное оборудование. Если все устройства функцио-нируют нормально, информация о них запоминается и происходит переход к поиску начального загрузчика операционной системы. Он может находиться на же-стком диске, на дискете, на CD-ROM и даже быть получен с помощью сетевой платы. Поэтому компью-тер опрашивает перечисленные устройства по очереди до тех пор, пока не обнаружит требуемую информа-цию. Загрузчик представляет собой не что иное, как программу дальнейшей загрузки. Он загружает в ОЗУ остальную часть операционной системы, и машина сможет наконец нормально общаться с пользователем.

Современные компьютеры в основном используют внешние устройства Plug and Play (переводится "вклю-чил и работай"), поэтому они способны в процессе загрузки' сообщить процессору свои основные харак-теристики и условия работы.

Желательно изложить

Первые операционные системы (СР/М, MS-DOS, Unix) вели диалог с пользователем на экране тексто-вого дисплея: человек вводил очередную команду, а

13

компьютер, проверив ее, либо выполнял, либо отвер-гал по причине ошибки. Такие системы в литературе принято называть ОС с командной строкой.

Развитие графических возможностей дисплеев при-вело к появлению графического интерфейса, когда объек-ты манипуляций в ОС изображаются в виде небольших рисунков, а необходимые действия тем .или иным об-разом выбираются либо из меню, либо с помощью ма-нипулятора "мышь". Примерами операционных сис-тем с графическим интерфейсом служат MacOS (для компьютеров Macintosh), OS/2 и Windows.

Для "классических" ОС с командной строкой до-вольно четко выделяются три основные части:

* машинно-зависимая часть для работы с конкрет-ными видами оборудования;

* базовая часть, не зависящая от конкретных дета-лей устройств: она работает с абстрактными логиче-скими устройствами и при необходимости вызывает функции из предыдущей части; отвечает за наиболее общие принципы работы ОС;

* программа ведения диалога с пользователем.

Состав операционных систем с графическим интер-фейсом типа Windows заметно шире, но в целом име-ет похожее строение.

Порядок опроса устройств при поиске начального загрузчика ОС может быть легко изменен с помощью коррекции сведений о конфигурации компьютерного оборудования (BIOS setup).

Примечание для учителей

По сравнению с билетом для 9-го класса в тексте вопроса нет прямого упоминания о типе интерфейса. Именно поэтому нам пришлось перенести достаточно важный материал об ОС с командной строкой и с графическим интерфейсом в необязательный раздел. Кстати, очень забавно, когда формулировка билета в одиннадцатом классе меньше, чем в девятом...

Примечание для учеников

Лучше не механически заучивать перечисленные для изложения факты, а постараться разобраться в них и привести для себя в какую-то определенную систему. Может быть, постараться дать каждому из них корот-кое легко понятное вам название и запоминать уже эти названия. В любом случае не забывайте, что в от-вете на экзамене ценится не дословность воспроизве-дения материала, а умение им пользоваться, т.е. объяс-нять и отвечать на вопросы.

2. Законы логики Базовые понятия

Понятие, суждение, умозаключение. Истинность, ложность суждений и умозаключений. Законы логики как возведенные в принципы харак-терные черты мышления.

Обязательно изложить

Предметом логики является структура мышления, его формы и законы. Выделяются три формы мышления: понятие, суждение, умозаключение. Понятие -- это форма мышления, в которой фиксируются существен-ные признаки отдельного предмета или класса однород-ных предметов. Понятия выражаются словами или груп-пами слов. Примером понятия является термин "пап-ка", обозначающий один из элементов файловой систе-мы большинства ОС. Суждение -- форма мышления^ в которой что-либо утверждается или отрицается о пред-метах, их свойствах или отношениях. Суждение выра-жается в форме повествовательного предложения. Суж-дение может быть простым или сложным. Пример сужде-ния -- "Папка не является файлом". Умозаключение -- форма мышления, посредством которой из одного или нескольких суждений, называемых посылками, по опре-деленным правилам получается заключение.

Закон в логике понимается как требование или прин-цип, которому необходимо следовать, чтобы мышле-ние было правильным. Из многих возможных требо-ваний были выделены те, которые наиболее тесно свя-заны с такими свойствами мышления, как последова-тельность, определенность, непротиворечивость и обос-нованность: закон тождества, закон непротиворечия, закон исключенного третьего, закон достаточного ос-нования. Рассмотрим каждый из них более подробно.

Закон тождества формулируется следующим образом: "В процессе определенного рассуждения всякое поня-тие или сркдение должны быть тождественны самим себе". В мышлении этот закон выступает в качестве нор-мативного правила: в процессе рассуждения нельзя под-менять одну мысль другой, одно понятие другим. Нельзя выдавать тождественные мысли за различные, а различ-ные -- за тождественные. Нарушение закона тождества приводит к двусмысленности. Например: "Откуда бе-рется хлеб? Отвечай! -- Это я знаю, он печется... -- Печется? О ком это он печется? -- Не о ком, а из чего... Берешь зерно, мелешь его... -- Не зерно ты мелешь, а чепуху!" (Л.Кэрролл. "Алиса в Зазеркалье").

Закон непротиворечия утверждает: "Два противо-положных суждения не могут быть истинными в одно и то же время и в одном и том же отношении". На-пример, суждения "Петя Иванов учится в нашем клас-се" и "Петя Иванов не учится в нашем классе" явля-ются противоречивыми, и истинным может быть лишь одно из них. Суждения "Петя Иванов учится в нашем классе" и "Петя Иванов не учился в нашем классе" могут быть непротиворечивыми, а значит, могут быть истинными или ложными одновременно.

Закон исключенного третьего формулируется следую-щим образом: "Из двух противоречащих друг другу срк-дений одно истинно, другое ложно, а третьего не дано". Действие этого закона оказывается неограниченным лишь в "жестких" предсказуемых ситуациях. Например, суж-дения "Завтра в 15 часов будет солнечное затмение" и "Завтра в 15 часов не будет солнечного затмения" под-чиняются этому закону, поскольку день и час очередного

БИЛЕТ № 10

Представление целых и вещественных чисел

I в памяти персонального компьютера.

| 2. Логическая схема триггера. Использование

I триггеров в оперативной памяти.

г 3. Задача. Разработка алгоритма (программы),

.содержащего команду (оператор) ветвления.

1. Представление целых и вещественных чисел в памяти персонального компьютера

Базовые понятия

Целые и вещественные числа.

Знаковый разряд. Дополнительный код.

Переполнение -- получение результата, для сохране-ния которого в машине недостаточно двоичных разрядов.

Представление с плавающей запятой; мантисса и порядок. Нормализованные числа.

Обязательно изложить

Числовая информация была первым видом инфор-мации, который начали обрабатывать ЭВМ, и долгое время она оставалась единственным видом. Поэтому неудивительно, что в современном компьютере суще-ствует большое разнообразие типов чисел.

Целые числа. Для того чтобы различать положитель-ные и отрицательные числа, в их двоичном представле-нии выделяется знаковый разряд. По традиции исполь-зуется самый старший бит, причем нулевое значение в нем соответствует знаку плюс, а единичное -- минусу.

Из сказанного следует, что положительные числа представляют собой обычное двоичное изображение числа (с нулем в знаковом бите). А вот для записи отрицательных чисел используется специальный код, называемый в, литературе дополнительным. Для прак-тического получения кода отрицательных чисел исполь-зуется Следующий алгоритм:

* модуль числа перевести в двоичную форму;

* проинвертировать каждый разряд получившегося кода, т.е. заменить единицы нулями, а нули -- единицами;

* к полученному результату обычным образом при-бавит единицу.

Вещественные числа. Для хранения этого типа данных в памяти современных ЭВМ обычно использу-ется представление чисел с плавающей запятой. Оно фактически взято из математики, где любое число А в

системе счисления с основанием О предлагается запи-сывать в виде

А = (±М) * Q±f,

где М называют мантиссой, а показатель степени Р -- порядком числа. Для десятичной системы это выгля-дит очень привычно, например: заряд электрона ра-вен -- 1,6 * 1СГ'19 Кл, а скорость света в вакууме состав-ляет 3 * 108 м/с.

Арифметика чисел с плавающей запятой оказывается заметно сложнее, чем для целых. Тем не менее вычисли-тельные машины со всем этим великолепно умеют авто-матически справляться. Заметим, что для процессоров Intel все операции над вещественными числами вынесе-ны в отдельный функциональный узел, который принято называть математическим сопроцессором; до 486-й мо-дели он представлял собой отдельную микросхему.

Таким образом, при использовании метода представ-ления вещественных чисел с плавающей запятой в памя-ти фактически хранятся два числа: мантисса и порядок. Разрядность первой части определяет точность вычисле-ний, а второй -- диапазон представления чисел.

К описанным выше общим принципам представле-ния вещественных чисел необходимо добавить прави-ла кодирования мантиссы и порядка. Эти правила могут отличаться для различных машин, и мы не будем их здесь рассматривать.

Таким образом, если сравнить между собой представ-ление целых и вещественных чисел, то станет отчетливо видно, как сильно различаются числа, скажем, 3 и 3.0.

Желательно изложить

Беззнаковые целые числа. Хотя в математиче-ских задачах не так часто встречаются величины, прин-ципиально не имеющие отрицательных значений, без-знаковые типы данных получили в ЭВМ большое рас-пространение. Причина состоит в том, что в самой машине и программах для нее имеется много такого рода объектов: прежде всего адреса ячеек, а также всевозможные счетчики (количество повторений цик-лов, число параметров в списке или символов в текс-те) . К этому списку добавим наборы чисел, обозначаю-щие дату и время, размеры графических изображений в пикселях. Все перечисленное выше принимает толь-ко целые и неотрицательные значения.

Минимальное значение для данного числового типа по определению равно 0, а максимальное состоит из единиц во всех двоичных разрядах, а потому зависит от их количества:

max- 2N- I, -- где N -- разрядность чисел.

Результат вычислений, например после умножения, при определенных условиях может потребовать для своего размещения большего количества разрядов, чем имеется на практике. Проблема выхода за отведен-ную разрядную сетку машины называется переполне-нием. Факт переполнения всегда фиксируется путем установки в единицу специального управляющего бита, который последующая программа имеет возможность проанализировать. Образно говоря, процессор заме-тит переполнение, но предоставляет программному обеспечению право принять решение реагировать на него или проигнорировать.

При сохранении вещественного числа некоторое неудобство вносит тот факт, что представление числа в плавающей форме не является единственным:

3 * 108= 30 * 107 = 0,3 * 109 = 0,03 * 1010 = ...

Поэтому договорились для выделения единственно-го варианта записи числа считать, что мантисса всегда меньше единицы (т.е. целая часть отсутствует), а пер-вый разряд содержит отличную от нуля цифру -- в нашем примере обоим требованиям удовлетворит толь-ко число 0,3 * 109. Описанное представление чисел на-зывается нормализованным и является единственным. Любое число легко нормализуется с помощью фор-мального алгоритма.

Все сказанное о нормализации можно применять и к двоичной системе:

А = (±Л4) * 2±р, причем 1/2 < М < 1.

Существенно, что двоичная мантисса всегда начи-нается с единицы (М > 1/2). Поэтому во многих ЭВМ эта единица даже не записывается в ОЗУ, что позволяет сохранить вместо нее еще один дополни-тельный разряд мантиссы (так называемая "скрытая единица").

Примечание для учителей

Изложение, приведенное ранее в полных материа-лах билета (см. ссылку после вопроса), гораздо под-робнее, чем это необходимо для ответа на экзамене, зато представляет собой достаточно полное систе-матическое описание вопроса. Автор надеется, что знание деталей будет полезно учителю при подго-товке рассказа на уроке. В данной публикации сде-лана попытка выделить тот самый минимум, кото-рый ученику необходимо включить в свой ответ на экзамене.

Примечания для учеников

При ответе надо быть готовым к дополнительным вопросам об обосновании тех или иных утверждений. Например, каковы максимальное и минимальное зна-чения 8-битного целого числа со знаком и почему их модули не равны.

Как обычно, при подготовке вопроса необходимо продумать и подобрать примеры к своему рассказу.

Ссылка на материалы по вопросу

Полный текст материалов вопроса опубликован в "Информатике" № 11, 2003, с. 9 -- 13.

2. Логическая схема триггера. Использование триггеров в оперативной памяти

Базовые понятия

Триггер.

Входы для сброса и установки триггера, прямой и инверсный выходы.

Статическое (на триггерах) и динамическое (на базе конденсаторов) ОЗУ.

Обязательно изложить

Триггер -- это электронная схема, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний; последним условно приписывают значения 0 и 1. При отсутствии входных сигналов триггер способен сохра-нять свое состояние сколь угодно долго. Таким обра-зом, из определения следует, что триггер способен хранить ровно 1 бит информации.

Можно без преувеличения сказать, что триггер явля-ется одним из существенных узлов ЭВМ. Как правило, некоторое количество триггеров объединяют вместе, при этом полученное устройство называется регистром.

Рассмотрим логическое устройство триггера. На рисунке а приведена простейшая схема триггера, а на рисунке б показано его обозначение на схемах как единого функционального узла.

Q

Начнем с расшифровки обозначений входов и выхо-дов. Триггер имеет два входа -- S (от англ. Set -- уста-новка) и R (Reset -- сброс), которые используются соответственно для установки триггера в единичное и сброса в нулевое состояния. Вследствие таких обозначе-ний рассматриваемую схему назвали RS-триггером. Один из выходов, обозначенный на схеме Q, называется пря-мым, а противоположный выход -- инверсным (это показывает черта над Q, которая в математической ло-гике обозначает отрицание). За единичное состояние триггера договорились принимать такое, при котором

Q=i-

Обратимся теперь к рисунку а. Видно, что триггер состоит из двух одинаковых двухвходовых логических элементов ИЛИ-НЕ (ИЛИ обозначается символом 1 внутри элемента, а отрицание НЕ -- небольшим кру-жочком на его выходе), соединенных определенным

2004 № 16 ИНФОРМАТИКА

Готовимся к экзамену по информатике

Е.А. Еремин, В.И. Чернатынский, А.П. Шестаков,

Продолжение. См. № Л 0-15/2004

БИЛЕТ № 13

1. Понятие алгоритма. Свойства алгоритма. Испол-нители алгоритмов (назначение, среда, режим рабо-ты, система команд). Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов (программ).

2. Позиционные и непозиционные системы счис-ления. Запись чисел в позиционных системах счисле-ния.

3. Практическое задание. Решение простейшей оп-тимизационной задачи в среде электронных таблиц. |

I________________________________________________I

1. Понятие алгоритма. Свойства алгоритма. Исполнители алгоритмов (назначение, среда, режим работы, система команд). Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов (программ)

Базовые понятия

Алгоритм -- понятное и точное указание исполните-лю совершить последовательность действий, направлен-ных на решение поставленной задачи.

Свойства алгоритма: дискретность, понятность, опре-деленность, результативность, корректность, массовость.

Исполнитель -- человек или автоматическое устрой-ство, которое выполняет алгоритмы.

Система команд, режим работы исполнителя.

Обязательно изложить

Наша жизнь буквально насыщена алгоритмами. Вспом-ним кулинарные рецепты, инструкции к сложной быто-вой технике, умножение "столбиком" и деление "угол-ком", перевод из десятичной системы в двоичную и мно-жество других примеров.

Алгоритм -- это правила, описывающие процесс пре-образования исходных данных в требуемый результат. Чтобы произвольные правила действительно были алго-ритмом, они должны обладать следующими свойствами.

Дискретность. Процесс решения задачи должен быть разбит на четкую последовательность отдельных шагов, каждый из которых принято называть командой.

Понятность. Каждая команда алгоритма должна быть понятна тому, кто исполняет алгоритм; в против-ном случае она (и, следовательно, весь алгоритм в це-лом) не может быть выполнена. В информатике часто говорят, что все команды алгоритма должны входить в систему команд исполнителя.

Определенность. Команды, образующие алгоритм, должны быть предельно четкими и однозначными, все

г. Пермь

возможности должны быть заранее предусмотрены и ого-ворены. Для заданных исходных данных результат не может зависеть от какой-либо дополнительной инфор-мации извне алгоритма.

Результативность. Правильный алгоритм не мо-жет обрываться безрезультатно из-за какого-либо не-преодолимого препятствия в ходе выполнения. Кроме того, любой алгоритм должен завершиться за конечное число шагов.