Представление данных. Системы счисления

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

 высшего профессионального образования

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Н. Э. БАУМАНА»

Исаев Андрей Львович

КОНСПЕКТ  ЛЕКЦИЙ  ПО ИНФОРМАТИКЕ

Для студентов 1-го курса

Машиностроительных специальностей

Москва

2016

УДК 004

Рецензент:

доц., к.т.н., Владислав Антонович Велданов

Исаев А.Л. Конспект  лекций по информатике. Электронное учебное издание. - М.: МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2016, 60 с.

В конспекте представлены разделы информатики, охватывающие основные вопросы теории информации, функционирования аппаратного обеспечения, алгоритмизации, принципов работы различных программных продуктов, устройства вычислительных сетей и основы теории баз данных. Изложены основные приемы программирования, используемые студентами на практических занятиях, а также при индивидуальной и самостоятельной работе студентов.

Рекомендовано Учебно-методической комиссией НУК «Информатика и системы управления» МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве электронного учебного издания для студентов первого семестра первого курса машиностроительных специальностей, изучающих дисциплину «Информатика».

Исаев

Андрей Львович

Конспект лекций по информатике

© 2016 МГТУ имени Н.Э. Баумана

Оглавление

Введение.. 5

Лекция 1. 7

Информация и информатика. 7

Представление данных. Системы счисления. 10

Лекция 2. 14

История развития вычислительной техники. 14

Классификация и состав ЭВМ. 16

Лекция 3. 20

Типы запоминающих устройств. Хранение и обработка информации. 20

Принцип работы компьютера. 23

Лекция 4. 26

Программное обеспечение. 26

Операционные системы.. 26

Системы программирования. 29

Лекция 5. 31

Технология разработки программного обеспечения. 31

Тестирование и отладка программ.. 36

Лекция 6. 38

Вычислительные комплексы и сети. 38

Сеть Интернет. 41

Лекция 7. 45

Базы данных. 45

Объекты предметной области и связи между ними. 45

Отношения. 46

СУБД.. 50

Лекции 8, 9. 52

Некоторые приёмы программирования. 52

Вопросы для самопроверки.. 58

Заключение.. 60

Список литературы... 61

Введение

В конспекте представлен материал лекций, читаемых студентам машиностроительных специальностей МГТУ им. Н.Э. Баумана (факультеты МТ, СМ, Э), изучающим дисциплину “Информатика”.

Информатика является базовой учебной дисциплиной, охватывающей сведения о технических, программных и алгоритмических средствах организации современных информационных систем и формирующей у обучаемого определенный кругозор, объем знаний, уровень алгоритмического мышления, а также практические навыки работы с конкретными программными системами.

Цель преподавания дисциплины состоит в освоении студентами современных информационных технологий, формирование представления о задачах, реализуемых с их помощью, методах их решения, формирование алгоритмического мышления. Дисциплина реализует базовую подготовку по программированию, рассчитанную на студентов младших курсов.

Студент, приступающий к изучению дисциплины должен обладать следующими компетенциями:

§ владением культурой мышления, способностью к обобщению, анализу, восприятию информации, целей и выбору путей их достижения;

§ способностью владеть основными методами и средствами получения, хранения, переработки информации, иметь навыки работы с компьютером как средством управления информацией, в том числе в глобальных компьютерных сетях;

§ владением английским языком, способностью воспринимать научно-техническую информацию из зарубежных первоисточников;

§ готовностью учитывать современные тенденции развития вычислительной техники, информационных технологий;

§ способностью применять современные программные средства выполнения и редактирования изображений;

§ способностью строить математические модели технологических процессов и оборудования, а также использовать стандартные программные средства их компьютерного моделирования.

Задачами преподавания дисциплины является изучение:

§ современных технических и программных средств взаимодействия с компьютером;

§ современных технологий сбора, представления, хранения, обработки и передачи информации с использованием компьютеров;

§ методов разработки алгоритмов и приложений;

§ особенностей технологий структурного и объектно-ориентированного программирования;

§ языка программирования высокого уровня;

§ методов тестирования и отладки разрабатываемых приложений.

Изучение дисциплины предполагает предварительное освоение следующих дисциплин (в рамках школьного курса):

§ основы информатики;

§ математика;

§ иностранный язык (английский).

В предлагаемом конспекте лекций рассмотрены разделы информатики, определяющие базовый уровень подготовки специалистов: основы информационной культуры, современные технические средства и программный инструментарий новых информационных технологий (системное и прикладное программное обеспечение, инструментарий создания программных продуктов), принципы функционирования вычислительных сетей и основы теории баз данных. Изложены также базовые основы алгоритмизации, необходимые студентам для освоения программирования. Приведены примеры типовых алгоритмов.

Автор выражает признательность студентам, принявшим участие в оформлении этого конспекта:

Аносову Артёму,

Арбузову Петру,

Воронцову Владимиру,

Ишмаеву Руслану,

Пивоваровой Светлане,

Юркову Евгению.

Лекция 1.

Информация и информатика

Информация ­­­­­­­­­– это сведения о лицах, предметах, фактах, событиях, явлениях, процессах независимо от формы их представления.

Свойства информации:

1) атрибутивные (без них информация не существует):

a) непрерывность (возможность «сливаться» с ранее накопленной информацией);

b) дискретность (информация характеризует отдельные данные и свойства объектов);

2) прагматические (характеризуют степень полезности):

a) новизна;

b) ценность;

c) полнота;

d) актуальность;

e) доступность;

f) достоверность

3) динамические (характеризуют изменение информации с течением времени):

a) накопление информации;

b) старение информации.

Объём используемой человеком информации в мире постоянно растёт. В таблице 1 показана динамика роста человеческих знаний.

    Таблица 1 – Увеличение человеческих знаний

Этому способствовали информационные революции (таблица 2), в ходе которых существенно менялись средства и способы хранения, распространения информации, её доступность.

Таблица 2 – Информационные революции

Современное общество называется информационным, поскольку большинство работающих людей занято обработкой информации.

При накоплении большого объёма информации и неспособности человека её обработать возникает информационный кризис. Преодоление информационного кризиса обеспечивается информатизацией общества, которая представляет собой процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей человека. В этом процессе базовой технической составляющей является вычислительная техника, которая позволяет автоматизировать (то есть ускорить и упростить) обработку информации.

Формы представления информации (рисунок 1):

1)  Непрерывная (аналоговая) – характеризует процесс, который не имеет перерывов и может изменяться в любой момент времени на любую величину (например - музыка);

2)  Прерывистая (дискретная, цифровая) – характеризует процесс, который может изменяться лишь в определённые моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения.

Рисунок 1 – Представление информации различными типами сигналов

Большинство современных компьютеров обрабатывают информацию в виде последовательности электрических сигналов только двух определенных уровней (например – высокого и низкого) – двоичных сигналов, то есть являются цифровыми.

Аналогом такого сигнала в информатике является бит (binary digit – двоичный разряд), который может принимать только одно из двух возможных значений (например - 0 и 1, + и – и т.д.). Бит – минимальная единица информации. Более крупная единица – байт (последовательная комбинация из 8 бит). Байт позволяет получать уже не две, а 256 возможных комбинаций.

Другие более крупные единицы:

1 Килобайт = 1024 байта;

1 Мегабайт = 1024 килобайт;

1 Гигабайт = 1024 мегабайт;

1 Терабайт = 1024 гигабайт и т.д.

Информатика – техническая наука, занимающаяся способами создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи информации средствами вычислительной техники, принципами функционирования этих средств и методами управления ими. Термин информатика произошел от слияния двух французских слов Informacion (информация) и Automatique (автоматика) и дословно определял новую науку об «автоматической обработке информации». В англоязычных странах информатика называется Computer Science (наука о компьютерной технике).

Информационная технология – процесс, использующий совокупность средств и методов сбора, обработки и передачи первичной информации для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (информационного продукта).

Данные – это зарегистрированная (зафиксированная) определенным образом информация, представленная в некоторой форме (формализованном виде), что обеспечивает ее хранение, обработку и передачу. Регистрация информации возможна различными способами – изменением магнитных, оптических, химических свойств материалов.

Основные операции с данными:

1) сбор данных;

2) фильтрация;

3) преобразование;

4) транспортировка;

5) архивация и т.д.

Представление данных. Системы счисления

Наиболее распространенные - числовые данные могут быть представлены в различном виде. Вид этот определяется используемой системой счисления.

Система счисления (СС) – совокупность приемов и правил представления чисел в виде конечного числа символов. СС имеет свой алфавит (упорядоченный набор цифр и букв) и совокупность операций образования чисел из этих символов.

Системы счисления разделяют на не позиционные и позиционные.

Не позиционная система счисления – это система, в которой цифры не меняют своего количественного эквивалента в зависимости от местоположения (позиции) в записи числа. К не позиционным системам счисления относится, например, система римских цифр, основанная на употреблении латинских букв:

I – 1;

V – 5;

X – 10;

L – 50;

C – 100;

D – 500;

     M – 1000.

Значение числа в этой системе определяется как сумма или разность цифр в числе (если меньшая цифра стоит перед большей, то она вычитается, а если после - прибавляется). Например, число 1998 записывается как MCMXCVIII.

Не позиционные системы счисления обладают следующими недостатками:

- сложность представления больших чисел (больше 10000);

- сложность выполнения арифметических операций над числами, записанными с помощью этих систем счисления.

Позиционная система счисления – это система, в которой количественный эквивалент цифры зависит от ее положения в числе (чем «левее» цифра в записи числа, тем её значение больше). Основание позиционной системы счисления – это количество разных символов в ее алфавите. Например, в двоичной системе счисления используется две цифры (0 и 1), в восьмеричной – восемь (0,1,…,6,7), а в десятичной системе счисления используется десять цифр (0,1,…,8,9). Сравнение записи чисел в разных системах счисления представлено в таблице 3.

Таблица 3 – Сравнение записи чисел в трёх системах счисления

Наиболее используемой системой счисления является десятичная система счисления, а для представления чисел в большинстве современных ЭВМ используется двоичная система счисления

Правило перевода числа из десятичной системы в двоичную систему счисления: перевод целой части – делением на основание системы, в которую переводим (на 2), а дробной части – умножением на это основание. Операции выполняются в десятичной системе. Остатки от деления собираются в обратном порядке.

Пример: перевести число 100 в двоичную систему счисления (рисунок 2).

Решение: представим перевод числа в виде столбца, каждая строка которого содержит частное и остаток от деления данного числа на основание двоичной системы счисления n = 2.

Рисунок 2 – Перевод числа из десятичной системы в двоичную

В результате получим число 1100100₂ – результат перевода числа 100₁₀ в двоичную систему счисления (индекс – основание системы счисления).

Как было уже сказано, в вычислительной технике используется двоичная система счисления (данные представляются в виде закодированной последовательности двоичных сигналов). Это обеспечивает высокую надёжность и помехоустойчивость вычислительной системы, так как в ней реализованы устройства лишь с двумя устойчивыми состояниями (чем проще устройство, тем оно надежнее).

 При этом для описания логики функционирования аппаратных и программных средств используется алгебра логики (Булева алгебра). Она оперирует с логическими переменными, которые могут принимать тоже только два возможных значения (true — истина и false - ложь). Это очень удобно, так как обеспечивается универсальность (однотипность) процесса обработки информации на компьютере.

Лекция 2.