Informatyka (wyk. 1) Podstawowe pojęcia związane z informatyką

Technologie informacyjne (wyk. 1)
Podstawowe pojęcia związane z informatyką,
zarys historii informatyki, komputerowy zapis
informacji
dr Tomasz Ordysiński
[email protected]
tomaszordysinski.pl
Podstawowe pojęcia informatyki - defincja

Przedmiotem informatyki jest całokształt problematyki związanej ze
zbieraniem,
przechowywaniem,
przekształcaniem,
wyszukiwaniem, przesyłaniem i udostępnianiem danych, czyli
ogólnie przetwarzaniem danych, w celu zapewnienia sprawnego i
celowego działania określonego systemu.

Nazwa ,,informatyka’’ powstała w wyniku skojarzenia dwóch pojęć:
INFORmacja + autoMATYKA
Podstawowe pojęcia informatyki – dane,
informacja, wiedza




DANE- to każde dowolne przedstawienie faktów, liczb, pojęć w
sformalizowanej
postaci,
umożliwiające
przekazywanie
i
dokonywanie na nich różnorodnych czynności przetwarzania. Dane
to surowe fakty, znaki zapisane na jakimś medium. Narzuca się
formalizm zapisu.
INFORMACJE (teoria ilościowa) - stworzona przez Shannona;
zwraca się uwagę na wpływ wielkości informacji na stopień
określoności
lub
nieokreśloności
obiektu.
Podstawowymi
kategoriami tej teorii są entropia i prawdopodobieństwo.
INFORMACJE (teoria jakościowa) - bada się własności informacji
oraz jej znaczenia w aspekcie użytkowym. W tym ujęciu przyjmuje
się, że informacja oznacza znaczenie, treści, jakie przy
zastosowaniu odpowiedniej konwencji przyporządkowuje się danym.
WIEDZA - wykracza poza informacje, gdyż powoduje zdolność do
rozwiązywania problemów, inteligentnego zachowania się i
działania.
Podstawowe pojęcia informatyki – komputer,
oprogramowanie, system komputerowy

Elektroniczna maszyna cyfrowa – urządzenie elektryczne
potrafiące wykonać 4 podstawowe działania arytmetyczne.

Komputer – elektroniczna maszyna cyfrowa stosowana do
gromadzenia, przetwarzania i wyszukiwania informacji przy pomocy
odpowiedniego oprogramowania.

Oprogramowanie – zbiór programów,
wykonanie przez komputer pewnych zadań.

Algorytm – „przepis” na rozwiązanie pewnego zadania przy
pomocy skończonej liczby kroków.

Program – algorytm zapisany za pomocą języka „zrozumiałego” dla
komputera.

Hardware – zbiór wszystkich urządzeń komputerowych.

Software – zbiór programów zainstalowanych na twardym dysku
komputera.
które
pozwalają
na
System komputerowy
SYSTEM
KOMPUTEROWY
HARDWARE
+
SOFTWARE
Główne cechy komputera

Zdolność zapamiętywania dużej ilości danych (pamięć dyskowa, taśmowa,
nośniki optyczne),

Możliwość automatycznego wykonywania rozkazów (program
komputerowy),

Programowalność – zdolność do zmiany sposobu działania programu,

Bardzo duża szybkość obliczeń (procesor wykonuje wiele milionów operacji
arytmetycznych na sekundę),

Możliwość prezentacji wyników w różnej formie (pliku, tabeli wykresu itp.)

Elastyczność budowy sprzętu komputerowego,
Kierunki zastosowań informatyki (1)

Obliczenia naukowe i inżynierskie
Obliczenia numeryczne stanowią klasyczny i najstarszy kierunek zastosowań
komputerów. Specyficzne cechy tego typu zastosowań to:





skomplikowane obliczenia, algorytmy;
liczba danych wejściowych w tego typu zastosowaniach (i wyjściowych) jest niewielka;
stosunkowo niewielkie wymagania odnośnie urządzeń zewnętrznych;
sprawne i wydajne translatory różnych języków programowania.
Masowe przetwarzanie danych (ekonomicznych)
Cechami zastosowań w masowym przetwarzaniu danych są:






operowanie na bardzo dużych zbiorach i bazach danych;
posługiwanie się raczej nieskomplikowanymi algorytmami przetwarzania danych;
stosowanie rozbudowanych, efektywnych systemów kontroli;
potrzeba tworzenia czytelnych i estetycznych wydruków komputerowych;
duże wymagania odnośnie urządzeń peryferyjnych i przesyłania danych;
konieczność stosowania różnorodnych programów użytkowych, tj. arkusze kalkulacyjne,
bazy danych, edytory tekstowe, programy multimedialne itd.
Kierunki zastosowań informatyki (2)

Symulacja i modelowanie
Komputerowe modele symulacji mogą służyć trzem celom:




prognostycznym- za pomocą modelu bada się co zdarzy się w przyszłości i w oparciu o
tę wiedzę modyfikuje się podejmowane działania;
diagnostycznym- model pomaga znaleźć przyczynę obserwowanych zjawisk lub
dokładniej i taniej prześledzić ich przebieg;
dydaktycznym- model pozwala tanio i bezpiecznie zdobyć doświadczenie wymagane
przy wykonywaniu wielu prac.
Sterowanie procesami
Sterowanie daje całkowicie inne zastosowania, które powodują szereg
uwarunkowań:




wymagają specjalnych urządzeń do sprzężenia komputera ze sterowanym procesem (np.
czujniki);
rola komputera sprowadza się do gromadzenia i raportowania danych;
konieczność pracy w tzw. trybie rzeczywistym- komputer w obliczeniach musi
uwzględniać czynnik czasu i wysyłać sygnały sterujące dokładnie w tym momencie, kiedy
są potrzebne.
Inne (poligrafia, edukacja, biuro, rozrywka)
Generacje komputerów (1)

GENERACJA „0”


GENERACJA „1”






technika przekaźnikowa, komputer MARK I, praca w systemie dziesiętnym;
technika lampowa, komputer ENIAC (1946r.)
dane do komputera wprowadza się z taśm, kart perforowanych lub dalekopisów;
realizowały jeden program napisany w języku wewnętrznym (kod 0,1 ),
nie posiadały systemu operacyjnego;
głównie do obliczeń naukowo-technicznych, duża awaryjność.
GENERACJA „2”






tranzystory pojawiły się pod koniec lat 50, w Polsce – komputer XYZ, ZAM2;
pojawienie się pamięci zewnętrznych (dyski magnetyczne, taśmy magnetyczne, bębny);
wprowadzenie wieloprogramowości komputerów;
komputery wyposażone w system operacyjny;
wprowadzenie języków symbolicznych (języki pisane kodem 0, 1zostały zastąpione
symbolem);
zwiększenie szybkości przetwarzania do 100 tysięcy operacji na sekundę;
Generacje komputerów (2)

GENERACJA „3”









układy scalone: ODRA 1300.
wieloprogramowość i wieloprocesowość
rozpowszechnienie pamięci dyskowych
stosunkowo ,,bogaty’’ zestaw oprogramowania systemowego
możliwość pisania programów w językach wyższego rzędu (symbole zastępuje się
komendami w języku angielskim)
tworzenie sieci komputerowych
rozwój urządzeń zewnętrznych (peryferyjnych- do wprowadzania i wyprowadzania danych)
szybkość wykonywania operacji wzrasta do 10 milionów działań na sekundę.
GENERACJA „4”
układy scalone VLSI- bardzo duża skala integracji; ULSI (ultra);

technika mikroprocesorowa;

różnorodne oprogramowanie użytkowe, początek lat 80
GENERACJA „4 PLUS” – superkomputery o bardzo dużej mocy obliczeniowej: japoński
NEC, amerykański CRAY



GENERACJA „5” /i dalsze/



technika sztucznej inteligencji; możliwość posługiwania się językiem naturalnym
umiejętność wnioskowania i uczenia się przez maszynę poprzez wykorzystanie sieci
neuronowych,
automatyczne pozyskiwanie wiedzy
Zakres informatyki
Zakres zainteresowań informatyki obejmuje:

sprzęt komputerowy- hardware (jego parametry techniczne,
eksploatacyjne oraz dane dotyczące obsługi, konserwacji itp.)

oprogramowanie komputerowe- software (systemy operacyjne,
języki programowania, oprogramowanie użytkowe itp.)

konstrukcje i eksploatację urządzeń do automatycznego
przekazywania danych na odległość (sieci komputerowe, sieci
telekomunikacyjne)

projektowanie i wdrażanie systemów informatycznych
potrzeby określonych jednostek (np. przedsiębiorstw)
na
INFORMACJA CYFROWA (1)
Def.1. Informacją cyfrową nazywamy informację przedstawioną w postaci słów
cyfrowych
Def.2. Słowem cyfrowym nazywamy dowolny ciąg składający się z symboli 0 i/lub 1
Długość słowa
Oznaczenie
symboliczne
Nazwa
1
4
8
16
32
64
a0
a3...a0
a7.....a0
a15.......a0
a31.........a0
a63...........a0
bit
tetrada, kęs
bajt
słowo 16-bitowe, słowo
podwójne słowo, dwusłowo
słowo 64-bitowe, czterosłowo
1b - oznacza 1 bit
1B - oznacza 1 bajt
1B=8b
1kB=1024B (210)
1MB=1024kB
1GB=1024MB
Przykład: 20 MB jest ilością informacji ośmiokrotnie większą niż 20Mb
INFORMACJA CYFROWA (2)
W słowach cyfrowych wyróżnia się najstarszą i najmłodszą pozycję, tj.
bit najbardziej znaczący zwany najstarszym (ang. MSB - Most Significant Bit)
oraz
bit najmniej znaczący zwany najmłodszym (ang. LSB - Least Significant Bit)
an-1 ......................... a0
MSB
LSB
Analogicznie możemy mówić o starszym i najmłodszym bajcie
lub o starszej lub młodszej tetradzie
DZIESIĘTNY SYSTEM LICZBOWY
Do zapisu dowolnej liczby system wykorzystuje dziesięć symboli
(cyfr):
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
Dowolną liczbę w systemie dziesiętnym możemy przedstawić jako
następująca sumę:
n 1
ai 10i
(an-1...a1a0)D = an-1*10(n-1) +...+ a1*101 + a0*100 =
i 0
gdzie:
i - numer pozycji w liczbie,
ai - dowolna z cyfr od 0 do 9,
n - ilość cyfr (pozycji) w liczbie
Przykład:
424D = 4*102 + 2*101 + 5*100
pozycja jedynek (0)
pozycja dziesiątek (1)
pozycja setek (2)
DWÓJKOWY SYSTEM LICZBOWY
Do zapisu dowolnej liczby system wykorzystuje dwa symbole
(cyfry):
0, 1
Dowolną liczbę w systemie dwójkowym możemy przedstawić
jako następująca sumę:
n 1
a i 2i
(an-1...a1a0)B = an-1*2(n-1) +...+ a1*21 + a0*20 =
i 0
gdzie:
i - numer pozycji w liczbie,
ai - dowolna z cyfr (0 lub 1),
n - ilość cyfr (pozycji) w liczbie
Przykład:
10100B = 1*24 + 0*23 + 1*22 + 0*21 + 0*20
KONWERSJA LICZB
2.
10100B = 1*24 + 0*23 + 1*22 + 0*21 + 0*20 =
= 1*16 + 0*8 + 1*4 + 0*2 + 0*1 = 20D
20:2 = 10
10:2 = 5
5:2 = 2
2:2 = 1
1:2 = 0
czyli
reszta=0
reszta=0
reszta=1
reszta=0
reszta=1
20D = 10100B
kierunek odczytu wyniku
1.
HEKSADECYMALNY (SZESNASTKOWY)
SYSTEM LICZBOWY
Do zapisu dowolnej liczby system wykorzystuje szesnaście
symboli (cyfr i liter):
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F
Dowolną liczbę w systemie heksadecymalnym możemy
przedstawić jako następująca sumę:
n 1
ai 16i
(an-1...a1a0)H = an-1*16(n-1) +...+ a1*161 + a0*160 =
i 0
gdzie:
i - numer pozycji w liczbie,
ai - dowolna cyfra heksadecymalna,
n - ilość cyfr (pozycji) w liczbie
Przykład:
1C2H = 1*162 + C*161 + 2*160
KONWERSJA LICZB (1)
1.
1C2H = 1*162 + C*161 + 2*160 =
= 1*256 + 12*16 + 2*1 = 450D
450:16 = 28
28:16 = 1
1:16 = 0
czyli
reszta=2
reszta=C
reszta=1
450D = 1C2H
kierunek
odczytu
wyniku
2.
reszty zapisujemy w postaci
cyfry heksadecymalnej
KONWERSJA LICZB (2)
Do konwersji zapisu binarnego na heksadecymalny i
odwrotnie wykorzystuje się tabelę:
cyfra heksadecymalna
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
liczba binarna
0000
0001
0010
0011
0100
0101
0110
0111
1000
1001
1010
1011
1100
1101
1110
1111
liczba dziesiętna
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
KONWERSJA LICZB (3)
1.
każdą cyfrę hex. zapisujemy w
postaci czwórki cyfr binarnych
1C2H =
= 0001 1100 0010 =
= 000111000010 =
odrzucamy nieznaczące zera na
początku liczby binarnej
= 111000010B
2.
111000010B =
= 0001 1100 0010B =
= 1C2H
liczbę binarną dzielimy od
końca na czwórki ewentualnie
dopisując nieznaczące zera w
ostatniej (pierwszej) czwórce
każdą czwórkę binarną
zapisujemy w postaci cyfry hex.
OPERACJE RACHUNKOWE NA
LICZBACH BINARNYCH

DODAWANIE

MNOŻENIE
0
+
0
=0
0
*
0
=0
0
+
1
=1
0
*
1
=0
1
+
0
=1
1
*
0
=0
1
+
1
=10
1
*
1
=1
DODAWANIE TRZECH BITÓW
bit A
bit B
bit C
SUMA
PRZENIESIENIE
0
0
0
1
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
0
0
0
1
0
0
0
0
1
1
1
1
DODAWANIE LICZB BINARNYCH PRZYKŁAD
PRZENIESIENIE
1001001
1101101
+
1001001
10110110
SUMA
LICZBY UJEMNE W UKŁADZIE
BINARNYM – KOD U2
W zapisie U2 (uzupełnień do 2) liczbę binarną można
przedstawić jako:
an-1...a0 = -an-1.2n-1+an-2.2n-2+
...
+a0.20
Najstarszy bit nie jest tylko bitem znaku ale niesie wraz ze
swoją wagą wartość ujemną.
PRZYKŁADY:
1101U2 = -1.23+1.22+0.21+1.20 = -8+4+1 = -3D
0111U2 = -0 .23+1.22+1.21+1.20 = 4+2+1 = 7D
KOD U2 – ZAKRESY LICZB
Zakresy liczb w kodzie U2: -2n-1 X 2n-1-1
np. dla n=5 liczby od -16D (10000U2) do +15D (01111U2).
W zakresie tym muszą się znaleźć nie tylko argumenty ale i wynik.
Sposób zamiany ujemnej liczby dziesiętnej na kod U2:
1. Zamiana na zwykłą liczbę binarną
2. Dopisanie „0” z przodu, jeżeli słowo jest
zbyt krótkie do zadanego
3. Negacja poszczególnych bitów
4. Dodanie „1”
Zamiana na liczbę
przeciwną
KODOWANIE INFORMACJI (1)
Kodowaniem nazywamy przyporządkowanie poszczególnym obiektom zbioru
kodowanego odpowiadających im elementów zwanych słowami kodowymi, przy
czym każdemu słowu kodowemu musi odpowiadać dokładnie jeden element
kodowany.
Zbiorem kodowanym
może być zbiór
dowolnych obiektów
(cyfr, liter, symboli
graficznych, stanów
logicznych, poleceń
do wykonania itp.)
A
111
100
B
010
C
001
Proces kodowania może być opisem
słownym, wzorem (zależnością
matematyczną), tabelą kodową itp.
Kodem liczbowym nazywamy taki kod, który liczbom dowolnego systemu będzie
przyporządkowywał słowa kodowe w postaci zerojedynkowej (binarnej).
WYBRANE METODY KODOWANIA

Kody binarne



kod naturalny NKB – zwykła zamiana na liczbę binarną
kod prosty BCD – każdej z liczb z układu dziesiętnego
przyporządkowuję się tetradę w kodzie binarnym.
Kodowanie znaków (tekstów)

kod ASCII - w 1977 roku ANSI (American National
Standards Institute) zatwierdził kod ASCII (The
American Standard Code for Information Interchange).
Jest to system zapisu w pamięci komputera
podstawowych znaków
graficznych i poleceń
sterujących. (nieefektywny do zapisu liczb !!)