Глава 2.
Информационные процессы в системах
Тема 2.1.: Информационные
процессы
Курс: 1
Вид занятия: Занятие
теоретического обучения
Тип занятия: Лекция
Форма проведения
занятия: Индивидуальная
и групповая
Место проведения
занятия: Кабинет
информатики и ИКТ
Цель занятия: Изучить
информационный процесс в системах
Задачи занятия:
·
Учебная
– формироввание
мотивации и опыта учебно познавательной и практической деятельности. Создать
условия для обобщения и систематизации знаний, проверка ЗУН.
·
Воспитательная
- развить
логическое мышление и умение выражать речью результаты собственной мыслительной
деятельности. Способствовать развитию умению анализировать, выдвигать гипотезы,
предложения.
·
Развивающая
- способствовать
формированию памяти, находчивости, научного мировоззрения
·
Методическая
- методика
использования оптимальных способов повторения изученного материала
Оборудование:
Интерактивная
доска, канцелярские принадлежности, карточки с заданием. Портреты Карл
Линней (1707-1778), Швеция и Владимир Иванович Вернадский (1863-1945), Россия,
Владимир Александрович Котельников (1908-2005), Россия, Норберт Винер
(1894-1964), США, Кпод Элвуд Шеннон (1916-2001), США
План
занятия:
1.Организационный момент
2. Актуализация знаний
3. Изучение нового материала
4 Система основных понятий
5. Закрепление
6. Итог и задание для
самостоятельной работы
|
4-5
минут
10-15
минут
40-45
минут
25-30
минут
22-25
минут
8-10
минут
|
Ход занятия:
1.Организационный
момент
Преподаватель и студенты,
здороваются, проводится инструктаж по безопасной работе за компьютерами,
студент расписывается за рабочее место за которое он несет ответственность в
течении всей пары.
2.
Актуализация знаний
1.
Есть
ли связь между объемным подходом к измерению информации и содержанием
информации?
2.
В
чем измеряется объем письменного или печатного текста?
3.
Оцените
объем одной страницы данного учебника в количестве знаков.
4.
Что
такое бит с позиции объемного подхода к измерению информации?
5.
Какой
информационный вес имеет каждая буква русского алфавита?
6.
Чем
удобнее английский алфавит по сравнению с русским для передачи сообщений с
помощью телеграфного кода Бодо?
7.
Какие
единицы используются для измерения объема информации на компьютерных
носителях?
8.
Возьмите
страницу текста из данного учебника и подсчитайте получаемые информационные
объемы текста при кодировании его кодом Морзе, кодом Бодо и восьмиразрядным
компьютерным кодом.
9.
Результат
ответа на задание 3 пересчитайте в килобайтах и мегабайтах.
10.
Что такое неопределенность знания о
результате какого-либо события? Приведите примеры, когда неопределенность
знания можно выразить количественно.
11.
Как
определяется единица измерения количества информации?
12.
В
каких случаях и по какой формуле можно вычислить количество информации,
содержащейся в сообщении, используя содержательный подход?
3.
Изучение нового материала
Системелогия — наука о
системах. В
чем состоит содержание этой науки и какое отношение она имеет к информатике,
вам предстоит узнать из данной главы.
Наш
мир наполнен многообразием различных объектов. Нередко мы употребляем понятия
«простой объект», «сложный объект». А размышляли ли вы о том, в чем разница
между простым и сложным? На первый взгляд, возникает такой очевидный ответ:
сложный объект состоит из множества простых. И чем больше в нем таких
«деталей», тем предмет сложнее. Например, кирпич — простой объект, а здание,
построенное из кирпичей, — сложный объект. Или еще: болт, колесо, руль и другие
детали автомобиля — простые объекты, а сам автомобиль, собранный из этих
деталей, — сложное устройство. Но только ли в количестве деталей заключается
различие между простым и сложным?
Сформулируем
определение главного понятия системологии — понятия системы:
Система — это сложный объект, состоящий из
взаимосвязанных частей (элементов) и существующий как единое целое. Всякая
система имеет определенное назначение (функцию, цель).
Рассмотрим
кучу кирпичей и дом, построенный из этих кирпичей. Как бы много ни было
кирпичей в куче, ее нельзя назвать системой, потому что в ней нет единства, нет целесообразности.
А жилой дом имеет вполне конкретное назначение — в нем можно жить. В кладке
дома кирпичи определенным образом взаимосвязаны, в соответствии с
конструкцией. Конечно, в конструкции дома кроме кирпичей имеется много других
деталей (доски, балки, окна и пр.), все они нужным образом соединены и образуют
единое целое — дом.
Вот
другой пример: множество велосипедных деталей и собранный из них велосипед.
Велосипед — это система. Его назначение — быть транспортным средством для
человека.
Первое главное свойство системы — целесообразность. Это
назначение системы, главная функция, которую она выполняет.
Всякая
система определяется не только составом своих частей, но также порядком и
способом объединения этих частей в единое целое. Все части (элементы) системы
находятся в определенных отношениях или связях друг с другом. Здесь мы выходим
на следующее важнейшее понятие системологии — понятие структуры.
Структура
—
это порядок связей между элементами системы.
Можно
еще сказать так:
структура — это внутренняя организация системы. Из тех же самых
кирпичей и других деталей кроме жилого дома можно построить гараж, забор,
башню. Все эти сооружения строятся из одних и тех же элементов, но имеют разную
конструкцию в соответствии с назначением сооружения. Применяя язык
системологии, можно сказать, что они различаются структурой.
Кто
из вас не увлекался детскими конструкторами: строительными, электрическими,
радиотехническими и другими? Все детские конструкторы устроены по одному
принципу: имеется множество типовых деталей, из которых можно собирать
различные изделия. Эти изделия отличаются порядком соединения деталей, т.е.
структурой.
Из
всего сказанного можно сделать вывод: всякая система обладает определенным
элементным составом и структурой. Свойства системы зависят и от того, и от
другого. Даже при одинаковом составе системы с разной структурой обладают
разными свойствами, могут иметь разное назначение.
Второе главное свойство системы — целостность. Нарушение
элементного состава или структуры ведет к частичной или полной утрате целесообразности
системы.
С
зависимостью свойств различных систем от их структуры вам приходилось и еще
предстоит встретиться в разных школьных дисциплинах. Например, известно, что
графит и алмаз состоят из молекул одного и того же химического вещества —
углерода. Но в алмазе молекулы углерода образуют кристаллическую структуру, а
у графита структура совсем другая — слоистая. В результате алмаз — самое
твердое в природе вещество, а графит мягкий, из него делают грифели для
карандашей.
Пример
из физики: все радиосистемы состоят из одинаковых деталей (резисторов,
конденсаторов, транзисторов, трансформаторов и пр.), но различные по назначению
радиотехнические устройства имеют разную структуру.
Вот
простой пример. Имеются две строительные бригады, состоящие каждая из семи
человек. В первой бригаде один бригадир, два его заместителя и по два рабочих
в подчинении у каждого заместителя. Во второй бригаде — один бригадир и
шестеро рабочих, которые подчиняются непосредственно бригадиру.
На
рисунках схематически представлены структуры подчиненности в двух данных
бригадах:
Таким
образом, две эти бригады — пример двух производственных (социальных) систем с
одинаковым составом (по 7 человек), но с разной структурой подчиненности.
Различие
в структуре неизбежно отразится на эффективности работы бригад, на их
производительности. При небольшом числе людей эффективнее оказывается вторая
структура. Но если в бригаде 20 или 30 человек, то тогда одному бригадиру
трудно управлять работой такого коллектива. В этом случае разумно ввести
должности заместителей, т. е. использовать первую структуру подчиненности.
Системный эффект
Сущность системного эффекта:
всякой системе свойственны новые качества, не присущие ее составным частям.
Это
же свойство выражается фразой: целое больше суммы своих частей. Например,
отдельные детали велосипеда: рама, руль, колеса, педали, сиденье не обладают
способностью к езде. Но вот эти детали соединили определенным образом, создав
систему под названием «велосипед», которая приобрела новое качество —
способность к езде, т. е. возможность служить транспортным средством. То же
самое можно показать на примере самолета: ни одна часть самолета в отдельности
не обладает способностью летать; но собранный из них самолет (система) —
летающее устройство. Еще пример: социальная система — строительная бригада.
Один рабочий, владеющий одной специальностью (каменщик, сварщик, плотник, крановщик
и пр.), не может построить многоэтажный дом, но вся бригада вместе справляется
с этой работой.
О системах и подсистемах
В
качестве еще одного примера системы рассмотрим объект, с которым вы часто
имеете дело на уроках информатики — персональный компьютер (ПК). На рис. 2.1 приведена
схема состава и структуры ПК.
Рис. 2.1. Состав и
структура персонального компьютера
Самое
поверхностное описание ПК такое: это система, элементами которой являются
системный блок, клавиатура, монитор, принтер, мышь. Можно ли назвать их
простыми элементами? Конечно, нет. Каждая из этих частей — это тоже система,
состоящая из множества взаимосвязанных элементов. Например, из базового курса
информатики вам известно, что в состав системного блока входят: центральный
процессор, оперативная память, накопители на жестких и гибких магнитных
дисках, CD-ROM,
контроллеры внешних устройств и пр. В свою очередь, каждое из этих устройств —
сложная система. Например, центральный процессор состоит из
арифметико-логического устройства, устройства управления, регистров. Так можно
продолжать и дальше, все более углубляясь в подробности устройства компьютера.
Систему, входящую в состав какой-то другой,
более крупной системы, называют
подсистемой.
Из
данного определения следует, что системный блок является подсистемой
персонального компьютера, а процессор — подсистемой системного блока.
А
можно ли сказать, что какая-то простейшая деталь компьютера, например гайка,
системой не является? Все зависит от точки зрения. В устройстве компьютера
гайка — простая деталь, поскольку на более мелкие части она не разбирается. Но
с точки зрения строения вещества, из которого сделана гайка, это не так. Металл
состоит из молекул, образующих кристаллическую структуру, молекулы — из
атомов, атомы — из ядра и электронов. Чем глубже наука проникает в вещество,
тем больше убеждается, что нет абсолютно простых объектов. Даже частицы атома,
которые называют элементарными, например электроны, тоже оказались непростыми.
Любой
реальный объект бесконечно сложен. Описание его состава и структуры всегда
носит модельный характер, т. е. является приближенным. Степень подробности
такого описания зависит от его назначения. Одна и та же часть системы в одних
случаях может рассматриваться как ее простой элемент, в других случаях — как
подсистема, имеющая свой состав и структуру.
О системах в науке и системном подходе
Основной
смысл исследовательской работы ученого чаще всего заключается в поиске системы
в предмете его исследования.
Задача
всякой науки — найти системные закономерности в тех объектах и процессах,
которые она изучает.
Давайте
вспомним, где в школьных предметах вам встречалось понятие системы. В XVI веке
Николай Коперник описал устройство Солнечной системы. Земля и другие
планеты вращаются вокруг Солнца; связаны они в единое целое силами притяжения.
Систематизация
знаний очень важна для биологии. В XVIII веке шведский ученый Карл Линней
написал книгу под названием
«Системы природы». Он сделал первую удачную попытку
классифицировать все известные виды животных и растений, а самое главное,
показал взаимосвязь, т. е. зависимость одних видов от других. Вся живая природа
предстала
как
единая большая система. Но она, в свою очередь, состоит из системы растений,
системы животных, т. е. подсистем. А среди животных есть птицы, звери,
насекомые и т. д. Всё это тоже системы.
Русский
ученый Владимир Иванович Вернадский в 20-х годах XX века создал учение о
биосфере. Под
биосферой он понимал систему, включающую в себя весь
растительный и животный мир Земли, человечество, а также их среду обитания:
атмосферу, поверхность Земли, мировой океан, разрабатываемые человеком недра
(все это названо активной оболочкой Земли). Все подсистемы биосферы связаны
между собой и зависят друг от друга. Вернадскому же принадлежит идея о
зависимости состояния биосферы от космических процессов, иначе говоря, биосфера
является подсистемой более крупных, космических систем.
Если
человек хочет быть хорошим специалистом в своем деле, он обязательно должен
обладать системным мышлением,
к любой работе проявлять системный подход.
Сущность системного подхода:
необходимо учитывать все существенные системные связи того объекта, с которым
работаешь.
Очень «чувствительным» для всех нас
примером необходимости системного подхода является работа врача. Взявшись
лечить какую-то болезнь, какой-то орган, врач не должен забывать о взаимосвязи
этого органа со всем организмом человека, чтобы не получилось, как в поговорке,
«одно лечим, другое калечим».
Человеческий организм — очень сложная система, поэтому от врача
требуются большие знания и осторожность.
Еще
один пример — экология. Слово «экология» происходит от греческих слов «экое» —
«дом» и «логос» — «учение». Эта наука учит людей относиться к окружающей их
природе как к собственному дому. Самой важной задачей экологии сегодня стала
защита природы от разрушительных последствий человеческой деятельности
(использования природных ресурсов, выбросов промышленных отходов и пр.). Со
временем люди все больше вмешиваются в природные процессы. Некоторые
вмешательства неопасны, но есть такие, которые могут привести к катастрофе.
Экология пользуется понятием
«экологическая система». Это человек с «плодами» его деятельности
(города, транспорт, заводы и пр.) и естественная природа. В идеале в этой
системе должно существовать динамическое равновесие, т. е. те разрушения,
которые человек неизбежно производит в природе, должны успевать
компенсироваться естественными природными процессами или самим человеком.
Например, люди, машины, заводы сжигают кислород, а растения его выделяют. Для
равновесия надо, чтобы выделялось кислорода не меньше, чем его сжигается. И
если равновесие будет нарушено, то в конце концов наступит катастрофа в
масштабах Земли.
В
XX веке экологическая катастрофа произошла с Аральским морем в Средней Азии.
Люди бездумно забирали для орошения полей воду из питающих его рек Амударья и
Сырдарья. Количество испаряющейся воды превысило приток, и море стало пересыхать.
Сейчас оно практически погибло и жизнь на его бывших берегах ни для людей, ни
для животных и растений стала невозможной. Вот вам пример отсутствия системного
подхода. Деятельность таких «преобразователей природы» очень опасна. В
последнее время появилось понятие «экологическая грамотность». Вмешиваясь
в природу, нельзя быть узким специалистом: только нефтяником, только химиком и
пр. г
Занимаясь
изучением или преобразованием природы, надо видеть в ней систему и прилагать
усилия для того, чтобы не нарушать ее равновесия.
Информационные
процессы в естественных и искусственных системах
Из
базового курса вам известно:
•
Существуют
три основных типа информационных процессов: хранение информации, передача
информации, обработка информации.
•
Человек
хранит информацию в собственной памяти и на внешних носителях: бумаге,
компьютерных дисках и пр.
•
Процесс
передачи информации протекает от источника к приемнику по информационным
каналам.
•
Процесс
обработки информации связан с получением новой информации, изменением формы
или структуры имеющейся информации, поиском данных в информационном массиве.
Естественные и искусственные системы
Вернемся
к вопросу о связях, существующих между элементами систем. Когда это дом или
машина, всё понятно. Кирпичи связаны цементным раствором, детали машины —
болтами, сваркой, заклепками. А чем связаны системы животных, растений, или,
допустим, система образования? Чтобы разобраться в этом, разделим всевозможные
системы на два вида.
Существуют
естественные системы, или природные, т. е. созданные природой, и искусственные
системы — созданные человеком
Естественные системы: космические системы
— галактики, системы звезд и планет, такие, как наша Солнечная система; системы
животных и растений; молекулярные и атомные системы.
Искусственные системы создают люди.
Если хорошо подумать, то можно вспомнить множество
таких
систем, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, — это система
городского транспорта, система телефонной связи, система торговли, система
образования, система здравоохранения, система водоснабжения, система обороны
страны, банковская система, государственная энергетическая система и т. д. Само
человеческое общество — это тоже система взаимосвязанных личностей, которые
образуют разнообразные подсистемы: семьи, трудовые коллективы, партии, нации,
расы и пр.
Материальные связи в естественных и искусственных
системах
Обсудим
характер связей в
естественных системах. Во-первых, это физические силы, которые,
например, удерживают планеты около Солнца на своих орбитах, молекулы углерода в
кристалле алмаза; это энергетические процессы, например фотосинтез,
превращающий солнечную энергию в энергию жизни растений. Благодаря генетическим
связям сохраняются и продолжаются виды животных и растений. Эти связи
заключаются в определенной структуре молекул ДНК, входящих в состав клеток
организма. Можно говорить о климатических связях — они объединяют систему животного
и растительного мира в определенной части планеты. Все перечисленные виды
связей можно назвать
материальными.
Теперь
об искусственных системах. Есть множество материальных систем, созданных человеком',
вся техника (автомобили, самолеты, станки, компьютеры и т. д.), строительные
сооружения (дома, мосты, города, плотины, каналы); искусственные материалы
(сплавы, пластмассы). Связи в таких системах, как и в естественных, имеют
материальный характер. Раньше мы уже говорили о строительных сооружениях, о
машинах. Представим еще, например, энергосистему: станции, трансформаторы,
линии электропередач, электроприборы; все это присоединено одно к другому и
согласованно работает.
Информационные связи в естественных и искусственных
системах
Однако в живой природе
существуют системные связи, которые никак нельзя отнести к материальным. Вот,
например, стая журавлей, летящая клином на юг. Что удерживает их в таком строю?
Журавли видят вожака, ведущего стаю, и следуют за ним в определенном порядке.
Кроме того, журавли подают друг другу сигналы голосом. Это пример связи,
которую можно назвать
информационной. Подобные примеры можно привести из жизни
животных, рыб и даже насекомых.
В системах
живой природы существуют связи как материальные, так и информационные.
Выше
говорилось о материальных искусственных системах. Другой вид искусственных систем
— это
общественные (социальные) системы, т. е. различные объединения
людей. Конечно, между ними тоже есть определенные материальные связи
(например, общее помещение, экономическая зависимость, родственно-генетические
связи), однако для общественных систем очень важны информационные связи.
Ни один коллектив, от семьи до государства, не может существовать без
информационного обмена.
Еще
существуют связи между людьми, основанные на определенных договоренностях,
например конституции государства, законодательстве, уставе организации. Кроме
того, есть связи, определяемые человеческой этикой — правилами поведения, не
записанными в законах: национальные традиции, семейные традиции, правила
приличия и т. д. Люди знают эти законы и правила и подчиняются им. А поскольку
любые знания — это информация, то такие связи тоже можно назвать
информационными. Для функционирования общественных систем важнейшее значение
имеют информационные связи.
Информационные процессы в системах
В
чем же состоят информационные связи? Казалось бы, ответ очевиден: в обмене
информацией, в передаче информации от одного элемента системы к другому. Но
можно ли утверждать, что два других вида информационных процессов — хранение и
обработка информации — необязательны для таких систем?
Передача
информации невозможна без ее хранения: откуда-то информация должна браться при
отправлении и куда-то помещаться при получении. Возьмем для примера наиболее
близкую для вас социальную систему — систему образования. Основной вид связи
между двумя типами ее элементов — учителями и учениками — заключается в
процессе передачи знаний от учителей к ученикам. Но информация, которую
учителя передают ученикам, хранится в учебниках, в конспектах уроков, в памяти
учителя. Ученики же сохраняют полученные знания в своей памяти и в тетрадях.
В
процессе обучения постоянно происходит обработка информации как учителем, так и
учениками. При объяснении учебного материала учитель преобразует его,
представляя ученикам в разных формах: в текстовой, графической, табличной, на
моделях. Ученики, в свою очередь, отвечают на вопросы, решают задачи, а это
есть обработка информации.
Рассмотрим
другие элементы системы образования: министерство и учебные заведения. Это
элементы подсистемы управления образованием. В ней также происходит передача
информации (передаются распоряжения, планы, отчеты, нормативные документы),
хранение информации (хранится документация, различные статистические данные),
обработка информации (составление той же документации, статистической информации
и пр.).
Наконец,
рассмотрим технические информационные системы. К ним относятся системы
телеграфной и телефонной связи, радио и телевидения, компьютеры и компьютерные
сети, сотовые системы связи. Это искусственные системы, созданные людьми для
осуществления информационных процессов: хранения, обработки и передачи
информации.
В
базовом курсе информатики рассказывалось о том, что компьютер целенаправленно
создавался изобретателями как универсальный автомат для хранения, обработки и
передачи информации. Поэтому все три вида информационных процессов в нем
реализованы по определению. Ну а, например, мобильный телефон? Основное его
назначение состоит в приеме и передаче информации. Где же здесь хранение и
обработка? На рис. 2.2 схематически показан процесс осуществления передачи и
приема SMS-co- общения
посредством сотовой связи.
Рис. 2.2. Информационные
процессы сотовой связи
|
Из
этой схемы видно, что в процессе работы системы сотовой связи происходит
хранение, передача и обработка информации. Аналогично можно описать работу
других вышеназванных технических систем, в которых имеют место все три вида информационных
процессов
Хранение информации
Человек
хранит информацию в собственной памяти, а также в виде записей на различных
внешних (по отношению к человеку) носителях: на камне, папирусе, бумаге,
магнитных и оптических носителях и пр. Благодаря таким записям, информация
передается не только в пространстве (от человека к человеку), но и во времени
— из поколения в поколение.
Рассмотрим способы хранения информации
более подробно.
Информация может храниться в различных
видах: в виде записанных текстов, рисунков, схем, чертежей; фотографий,
звукозаписей, кино- или видеозаписей. В каждом случае применяются свои
носители.
Носитель — это материальная среда,
используемая для записи и хранения информации.
Практически
носителем информации может быть любой материальный объект. Информацию можно
сохранять на камне, дереве, стекле, ткани, песке, теле человека и т. д. Здесь
мы не станем обсуждать различные исторические и экзотические варианты
носителей. Ограничимся современными средствами хранения информации, имеющими
массовое применение.
Использование бумажных
носителей информации
Носителем,
имеющим наиболее массовое употребление, до сих пор остается бумага.
Изобретенная во II веке н. э. в Китае, бумага служит людям уже 19 столетий.
Для
сопоставления объемов информации на разных носителях будем пользоваться
единицей — байтом, считая, что один знак текста «весит» 1 байт. Нетрудно
подсчитать информационный объем книги, содержащей 300 страниц с размером текста
на странице примерно 2000 символов. Текст такой книги имеет объем примерно 600
000 байтов, или 586 Кб. Средняя школьная библиотека, фонд которой составляют
5000 томов, имеет информационный объем приблизительно 2861 Мб = 2,8 Гб.
Что
касается долговечности хранения документов, книг и прочей бумажной продукции,
то она очень сильно зависит от качества бумаги, красителей, используемых при
записи текста, условий хранения. Интересно, что до середины XIX века (с этого
времени для производства бумаги начали использовать древесину) бумага делалась
из хлопка и текстильных отходов — тряпья. Чернилами служили натуральные
красители. Качество рукописных документов того времени было довольно высоким,
и они могли храниться тысячи лет. С переходом на древесную основу, с
распространением машинописи и средств копирования, с началом использования
синтетических красителей срок хранения печатных документов снизился до 200-300
лет.
На
первых компьютерах бумажные носители использовались для цифрового
представления вводимых данных. Это были перфокарты: картонные карточки с
отверстиями, хранящие двоичный код вводимой информации. На некоторых типах ЭВМ
для тех же целей применялась перфорированная бумажная лента.
Использование магнитных носителей информации
В
XIX веке была изобретена магнитная запись. Первоначально она использовалась
только для сохранения звука. Самым первым носителем магнитной записи была
стальная проволока диаметром до 1 мм. В начале XX столетия для этих целей
использовалась также стальная катаная лента. Тогда же (в 1906 г.) был выдан и
первый патент на магнитный диск. Качественные характеристики всех этих
носителей были весьма низкими. Достаточно сказать, что для производства 14-часовой
магнитной записи устных докладов на Международном конгрессе в Копенгагене в
1908 г. потребовалось 2500 км, или около 100 кг проволоки.
В
20-х годах XX века появляется магнитная лента сначала на бумажной, а позднее —
на синтетической (лавсановой) основе, на поверхность которой наносится тонкий
слой ферромагнитного порошка. Во второй половине XX века на магнитную ленту
научились записывать изображение, появляются видеокамеры, видеомагнитофоны.
На
ЭВМ первого и второго поколений магнитная лента использовалась как единственный
вид сменного носителя для устройств внешней памяти. Любая компьютерная
информация на любом носителе хранится в двоичном (цифровом) виде. Поэтому
независимо от вида информации: текст это, или изображение, или звук — ее объем можно
измерить в битах и байтах. На одну катушку с магнитной лентой, использовавшейся
в лентопротяжных устройствах первых ЭВМ, помещалось приблизительно 500 Кб
информации.
С начала 1960-х годов в употребление входят
компьютерные
магнитные диски: алюминиевые или пластмассовые диски, покрытые
тонким магнитным порошковым слоем толщиной в несколько микрон. Информация на
диске располагается по круговым концентрическим дорожкам. Магнитные диски
бывают жесткими и гибкими, сменными и встроенными в дисковод компьютера.
Последние традиционно называют винчестерскими дисками.
Винчестер компьютера — это пакет
магнитных дисков, надетых на общую ось. Информационная емкость современных
винчестерских дисков измеряется в гигабайтах (десятки и сотни Гб). Наиболее
распространенный тип
гибкого диска диаметром 3,5 дюйма вмещает около 1,4 Мб данных.
Гибкие диски в настоящее время выходят из употребления.
В
банковской системе большое распространение получили пластиковые карты. На них
тоже используется магнитный принцип записи информации, с которой работают
банкоматы, кассовые аппараты, связанные с информационной банковской системой.
Использование оптических дисков и флэш-памяти
Применение оптического,
или лазерного,
способа записи информации начинается в 1980-х годах. Его появление связано с
изобретением квантового генератора — лазера, источника очень тонкого (толщина
порядка микрона) луча высокой энергии. Луч способен выжигать на поверхности
плавкого материала двоичный код данных с очень высокой плотностью. Считывание
происходит в результате отражения от такой «перфорированной» поверхности
лазерного луча с меньшей энергией («холодного» луча). Благодаря высокой
плотности записи, оптические диски имеют гораздо больший информационный объем,
чем однодисковые магнитные носители. Информационная емкость оптического диска
составляет от 190 Мб до 700 Мб. Оптические диски называются компакт-дисками (CD).
Во
второй половине 1990-х годов появились цифровые универсальные видеодиски DVD (Digital Versatile Disk) с
большой емкостью, измеряемой в гигабайтах (до 17 Гб). Увеличение их емкости по
сравнению с CD-дисками
связано с использованием лазерного луча меньшего диаметра, а также двухслойной
и двусторонней записи. Вспомните пример со школьной библиотекой. Весь ее
книжный фонд можно разместить на одном DVD.
В
настоящее время оптические диски (CD и DVD) являются
наиболее надежными материальными носителями информации, записанной цифровым
способом. Эти типы носителей бывают как однократно записываемыми — пригодными
только для чтения, так и перезаписываемыми — пригодными для
чтения и записи, время появилось множество мобильных цифровых устройств:
цифровые фото- и видеокамеры, МРЗ-плееры, карманные компьютеры, мобильные
телефоны, устройства для чтения электронных книг, GPS-навигаторы
и др. Все эти устройства нуждаются в переносных носителях информации. Но
поскольку все мобильные устройства довольно миниатюрные, то и к носителям
информации для них предъявляются особые требования. Они должны быть
компактными, обладать низким энергопотреблением при работе, быть
энергонезависимыми при хранении, иметь большую емкость, высокие скорости записи
и чтения, долгий срок службы. Всем этим требованиям удовлетворяют флэш-карты
памяти. Информационный объем флэш-карты может составлять несколько гигабайтов.
В
качестве внешнего носителя для компьютера широкое распространение получили так
называемые флэш-брелоки (их называют в просторечии «флэш- ки»), выпуск которых
начался в 2001 году. Большой объем информации, компактность, высокая скорость чтения/записи,
удобство в использовании — основные достоинства этих устройств. Флэш-брелок
подключается к USB-порту
компьютера и позволяет скачивать данные со скоростью около 10 Мб в секунду.
В
последние годы активно ведутся работы по созданию еще более компактных
носителей информации с использованием так называемых нано- технологий,
работающих на уровне атомов и молекул вещества. В результате один
компакт-диск, изготовленный по нанотехнологии, сможет заменить тысячи лазерных
дисков. По предположениям экспертов приблизительно через 20 лет плотность
хранения информации возрастет до такой степени, что на носителе объемом
примерно с кубический сантиметр можно будет записать каждую секунду
человеческой жизни.
Как
вам известно:
•
Распространение
информации происходит в процессе ее передачи.
•
Процесс
передачи информации протекает от источника к приемнику по информационным
каналам связи.
Первой
в истории технической системой передачи информации стал телеграф. В 1876 году
американец Александр Белл изобрел телефон. На основании открытия немецким физиком
Генрихом Герцем электромагнитных волн (1886 год), А. С. Попов в России в 1895
году и почти одновременно с ним в 1896 году Г. Маркони в Италии изобрели радио.
Телевидение и Интернет появились в XX веке.
Модель передачи информации К. Шеннона
Все
перечисленные способы информационной связи основаны на передаче на расстояние
физического (электрического или электромагнитного) сигнала и подчиняются
некоторым общим законам. Исследованием этих законов занимается теория связи,
возникшая в 1920-х годах. Математический аппарат теории связи — математическую
теорию связи, разработал американский ученый Клод Шеннон.
Клодом
Шенноном была предложена модель процесса передачи информации по техническим
каналам связи, представленная схемой на рис. 2.4.
Работу
такой схемы можно пояснить на знакомом всем процессе разговора по телефону.
Источником информации является говорящий человек. Кодирующим устройством —
микрофон телефонной трубки, с помощью которого звуковые волны (речь)
преобразуются в электрические сигналы. Каналом связи служит телефонная сеть
(провода, коммутаторы телефонных узлов, через которые проходит сигнал).
Декодирующим устройством является телефонная трубка (наушник) слушающего
человека — приемника информации. Здесь пришедший электрический сигнал
превращается в звук.
Современные
компьютерные системы передачи информации — компьютерные сети, работают по тому
же принципу. Есть процесс кодирования, преобразующий двоичный компьютерный код
в физический сигнал того типа, который передается по каналу связи. Декодирование
заключается в обратном преобразовании передаваемого сигнала в компьютерный
код. Например, при использовании телефонных линий в компьютерных сетях функции
кодирования/декодирования выполняет прибор, который называется модемом.
Рис. 2.4. Модель передачи информации по техническим
каналам связи
|
Пропускная способность канала и скорость передачи
информации
Разработчикам
технических систем передачи информации приходится решать две взаимосвязанные
задачи: как обеспечить наибольшую скорость передачи информации и как уменьшить
потери информации при передаче. К. Шеннон был первым ученым, взявшимся за
решение этих задач и создавшим новую для того времени науку — теорию
информации.
Шеннон
определил способ измерения количества информации, передаваемой по каналам
связи. Им было введено понятие пропускной способности канала как максимально возможной
скорости передачи информации. Эта скорость измеряется в битах в
секунду (а также килобитах в секунду, мегабитах в секунду).
Пропускная
способность канала связи зависит от его технической реализации. Например, в
компьютерных сетях используются следующие средства связи:
•
телефонные
линии;
•
электрическая
кабельная связь;
•
оптоволоконная
кабельная связь;
•
радиосвязь.
Пропускная
способность телефонных линий — десятки и сотни Кбит/с; пропускная способность
оптоволоконных линий и линий радиосвязи измеряется десятками и сотнями Мбит/с.
Скорость
передачи информации связана не только с пропускной способностью канала связи.
Представьте себе, что текст на русском языке, содержащий 1000 знаков,
передается с использованием двоичного кодирования. В первом случае используется
телеграфная 5-разрядная кодировка. Во втором случае — компьютерная 8-разрядная
кодировка.
Шум, защита от шума
Термином
«шум» называют разного рода помехи, искажающие передаваемый сигнал и приводящие
к потере информации. Такие помехи, прежде всего, возникают по техническим
причинам, таким как плохое качество линий связи, незащищенность друг от друга
различных потоков информации, передаваемых по одним и тем же каналам. Иногда,
беседуя по телефону, мы слышим шум, треск, мешающие понять собеседника, или на
наш разговор накладывается разговор других людей.
Наличие
шума приводит к потере передаваемой информации. В таких случаях необходима
защита от шума. Для этого в первую очередь применяются технические способы
защиты каналов связи от воздействия шумов. Такие способы бывают самыми
разными, иногда простыми, иногда очень сложными. Например: использование
экранированного кабеля вместо «голого» провода; применение разного рода
фильтров, отделяющих полезный сигнал от шума и пр.
Шеннон
разработал специальную
теорию кодирования, дающую методы борьбы с шумом. Одна из важных
идей этой теории состоит в том, что передаваемый по линии связи код должен быть избыточным.
За счет этого потеря какой-то части информации при передаче может быть компенсирована.
Например, если при разговоре по телефону вас плохо слышно, то, повторяя каждое
слово дважды, вы имеете больше шансов на то, что собеседник поймет вас
правильно.
Избыточность
кода — это многократное повторение передаваемых данных.
Однако
нельзя делать избыточность слишком большой. Это приведет к задержкам и
удорожанию связи. Теория кодирования как раз и позволяет получить такой код,
который будет оптимальным: избыточность передаваемой информации будет
минимально возможной, а достоверность принятой информации — максимальной.
Большой
вклад в научную теорию связи внес известный советский ученый Владимир
Александрович Котельников. В 1940-1950-х годах им получены фундаментальные
научные результаты по проблеме помехоустойчивости систем передачи информации.
В
современных системах цифровой связи для борьбы с потерей информации при
передаче часто применяется следующий прием. Все сообщение разбивается на
порции — блоки. Для каждого блока
вычисляется контрольная сумма (сумма двоичных цифр), которая
передается вместе с данным блоком. В месте приема заново вычисляется контрольная
сумма принятого блока и, если она не совпадает с первоначальной суммой,
передача данного блока повторяется. Так происходит до тех пор, пока исходная и
конечная контрольные суммы не совпадут.
4. Система
основных понятий
Передача информации в технических
системах связи
|
Модель К. Шеннона
|
Процедура кодирования
|
Процесс
передачи по каналу связи
|
Процедура декодирования
|
Пропускная
Воздействие шумов способность канала на канал связи
|
Защита информации от потерь при
воздействии шума
|
Кодирование с оптимально- избыточным
кодом
|
Частичная потеря избыточной информации
при передаче
|
Полное восстановление исходного
сообщения
|
|
|
|
|
Информационные процессы в системах
|
Естественные системы
|
Искусственные системы
|
Неживой
природы
|
Живой природы
|
Технические
|
Общественные
|
Материальные
связи
|
Материальные связи + информационные
связи
|
Процессы
осуществления информационных связей
|
Хранение информации
|
Передача информации
|
Обработка информации
|
Управление
—
сложный информационный процесс,
включающий в себя хранение, передачу и обработку информации
|
Хранение информации
|
Носители информации
|
Нецифровые
|
Цифровые (компьютерные)
|
Исторические:
камень,
дерево,
папирус,
пергамент,
шелк и
др.
Современные:
бумага
|
Магнитные
|
Оптические
|
Флэш-носители
|
Ленты
Диски Карты
|
CD DVD
|
Флэш-
Флэш- карты брелоки
|
Факторы
качества носителей
|
Вместимость
— плотность хранения данных, объем данных
|
Надежность
хранения — максимальное время сохранности данных, зависимость от условий
хранения
|
Наибольшей вместимостью и надежностью на
сегодня обладают оптические носители CD и DVD
|
Перспективные
виды носителей:
носители на базе нанотехнологий
|
Основы
системологии
|
Система —
это
сложный объект, состоящий из взаимосвязанных частей — элементов и
существующий как единое целое. Всякая система имеет определенное назначение
(функцию, цель)
|
Состав системы
|
Структура
системы
|
элемент
|
подсистема
|
связи
|
порядок
связей
|
Системный эффект: всякая система
приобретает новые качества, не присущие ее составным частям
|
Основные
свойства системы
|
Целесообразность
— функция, назначение системы
|
Целостность:
нарушение элементного состава или структуры ведет к полной или частичной
утрате целесообразности системы
|
Системный подход — основа научной
методологии: необходимость учета всех существенных системных связей объекта
изучения или воздействия
|
|
|
|
|
5.Закрепление
Вопросы и
задания
1.
Какая,
с вашей точки зрения, сохраняемая информация имеет наибольшее значение для
всего человечества, для отдельного человека?
2. Назовите
известные вам крупные хранилища информации.
3. Можно ли
человека назвать носителем информации?
4. Где и
когда появилась бумага?
5.
Когда
была изобретена магнитная запись? Какими магнитными носителями вы пользуетесь
или пользовались?
6.
Какое
техническое изобретение позволило создать оптические носители информации?
Назовите типы оптических носителей.
7.
Что
означает свойство носителя «только для чтения»?
8.
Какими
устройствами, в которых используются флэш-карты, вы пользуетесь? Какой у них
информационный объем?
9.
Какие
перспективы, с точки зрения хранения информации, открывают нано- технологии?Передача информации
10.
Назовите
сравнительные преимущества и недостатки магнитных и оптических носителей.
11. Какие системы
называются естественными системами, искусственными системами? Приведите
примеры тех и других.
12. Приведите примеры
материальных и информационных связей в естественных системах.
13. Что такое
общественные системы?
14. Приведите примеры
материальных и информационных связей в общественных системах.
15. Исследуйте школу,
в которой вы учитесь, как систему:
16.
Какого
типа эта система: естественная или искусственная?
17.
Выделите
входящие в нее подсистемы.
18.
Выделите
материальные и информационные связи.
19.
Какие,
с вашей точки зрения, изменения в структуре школы следует сделать, чтобы она
лучшим образом выполняла свое назначение?
20.
Что
такое система управления? Из каких компонентов она состоит? Какие типы связи
действуют в этой системе?
21.
Что
такое самоуправляемая система? Приведите примеры.
22.
Рассмотрите
езду на автомобиле как систему управления. Выделите все кибернетические
компоненты в этой системе.
23.
Может
ли существовать система управления без линии обратной связи? К каким
последствиям это может привести? (Рассмотрите на примере управления
автомобилем.)
24.
Рассмотрите
школьный урок как систему управления. Опишите все кибернетические компоненты
этой системы. Обратите внимание на множественность различных механизмов прямой
и обратной связи
25.Что такое система? Приведите
примеры.
26.
Что
такое структура? Приведите примеры.
27.
Приведите
примеры систем, имеющих одинаковый состав (одинаковые элементы), но разную
структуру. В чем суть системного эффекта? Приведите примеры.
28. Что такое
подсистема?
29. В чем состоит цель
всякой науки с системной точки зрения?
30. Какие системные
открытия в науке сделали Н. Коперник, К. Линней, В. И. Вернадский? Назовите
имена других ученых и их открытия, имеющие системный характер.
31. Что такое
системный подход? Приведите примеры ситуаций, когда отсутствие системного
подхода ведет к катастрофическим последствиям.
32. Выделите
подсистемы в следующих объектах, рассматриваемых в качестве систем:
·
костюм;
·
автомобиль;
·
компьютер;
·
городская
телефонная сеть;
·
школа;
·
армия;
·
государство.
33.Удаление
каких элементов из вышеназванных систем приведет к потере системного эффекта,
т. е. к невозможности выполнения их основного назначения? Попробуйте выделить
существенные и несущественные элементы этих систем с позиции системного
эффекта.
34.Для
чего нужна процедура кодирования передаваемой информации?
35.Что
такое декодирование? Каким должен быть его результат?
36.Каким
техническим средством связи вы чаще всего пользуетесь? Замечали ли вы при этом факты
потери информации?
37.Назовите
устройства кодирования и декодирования при использовании радиосвязи.
38.Что
такое шум по отношению к системам передачи данных?
39.Какие
существуют способы борьбы с шумом?
40.Пропускная
способность канала связи 100 Мбит/с. Канал не подвержен воздействию шума
(например, оптоволоконная линия). Определите, за какое время по каналу будет
передан текст, информационный объем которого составляет 100
Кб.
6. Итог и задание
для самостоятельной работы
Рефераты: Алан
Тьюринг (1912-1954), Англия,
Аль Хорезми (780 -850 г н. э.),
Алан Тьюринг (1912-1954),
Англия
Выполнение
самостоятельной работы №4
1. Почему работа компьютера невозможна без операционной системы?
2. Какие
операционные системы вы знаете?
3. Какие
программы, кроме операционной системы, относятся к
системному ПО?
4. Какие системы
программирования вам известны?
5. Для специалистов какой
профессии предназначены
системы программирования?
6.
Какие основные
действия
с объектом типа
«документ»
можно выполнить с помощью контекстного меню?
7.
Какую информацию о
свойствах объекта можно получить из приведённого ниже окна:
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.