Technologie informacyjne (wyk. 1)Podstawowe pojęcia związane z informatyką,

zarys historii informatyki, komputerowy zapis

informacji

dr Tomasz Ordysiński

ordych@wneiz.pl

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 wsformalizowanej postaci, umożliwiające przekazywanie idokonywanie na nich różnorodnych czynności przetwarzania. Daneto surowe fakty, znaki zapisane na jakimś medium. Narzuca sięformalizm zapisu.

INFORMACJE (teoria ilościowa) - stworzona przez Shannona;zwraca się uwagę na wpływ wielkości informacji na stopieńokreśloności lub nieokreśloności obiektu. Podstawowymikategoriami tej teorii są entropia i prawdopodobieństwo.

INFORMACJE (teoria jakościowa) - bada się własności informacjioraz jej znaczenia w aspekcie użytkowym. W tym ujęciu przyjmujesię, że informacja oznacza znaczenie, treści, jakie przyzastosowaniu odpowiedniej konwencji przyporządkowuje się danym.

WIEDZA - wykracza poza informacje, gdyż powoduje zdolność dorozwiązywania problemów, inteligentnego zachowania się idziałania.

Podstawowe pojęcia informatyki – komputer,

oprogramowanie, system komputerowy

Elektroniczna maszyna cyfrowa – urządzenie elektrycznepotrafiące wykonać 4 podstawowe działania arytmetyczne.

Komputer – elektroniczna maszyna cyfrowa stosowana dogromadzenia, przetwarzania i wyszukiwania informacji przy pomocyodpowiedniego oprogramowania.

Oprogramowanie – zbiór programów, które pozwalają nawykonanie przez komputer pewnych zadań.

Algorytm – „przepis” na rozwiązanie pewnego zadania przypomocy skończonej liczby kroków.

Program – algorytm zapisany za pomocą języka „zrozumiałego” dlakomputera.

Hardware – zbiór wszystkich urządzeń komputerowych.

Software – zbiór programów zainstalowanych na twardym dyskukomputera.

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 modelowanieKomputerowe 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 procesamiSterowanie 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”

technika przekaźnikowa, komputer MARK I, praca w systemie dziesiętnym;

GENERACJA „1”

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 automatycznegoprzekazywania danych na odległość (sieci komputerowe, siecitelekomunikacyjne)

projektowanie i wdrażanie systemów informatycznych napotrzeby określonych jednostek (np. przedsiębiorstw)

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 słowaOznaczenie 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=8b

1B - oznacza 1 bajt 1kB=1024B (210)

1MB=1024kB

1GB=1024MB

Przykład: 20 MB jest ilością informacji ośmiokrotnie większą niż 20Mb

INFORMACJA CYFROWA (1)

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

INFORMACJA CYFROWA (2)

Do zapisu dowolnej liczby system wykorzystuje dziesięć symboli (cyfr):

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9Dowolną liczbę w systemie dziesiętnym możemy przedstawić jako następująca sumę:

(an-1...a1a0)D = an-1*10(n-1) +...+ a1*101 + a0*100 =

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)

1n

0i

i

i 10a

DZIESIĘTNY SYSTEM LICZBOWY

Do zapisu dowolnej liczby system wykorzystuje dwa symbole (cyfry):

0, 1Dowolną liczbę w systemie dwójkowym możemy przedstawić jako następująca sumę:

(an-1...a1a0)B = an-1*2(n-1) +...+ a1*2

1 + a0*20 =

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

1n

0i

i

i 2a

DWÓJKOWY SYSTEM LICZBOWY

1.

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

reszta=0

reszta=0

reszta=1

reszta=0

reszta=1

kie

run

ek o

dc

zytu

wyn

iku

czyli 20D = 10100B

KONWERSJA LICZB

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, FDowolną liczbę w systemie heksadecymalnym możemy przedstawić jako następująca sumę:

(an-1...a1a0)H = an-1*16(n-1) +...+ a1*161 + a0*160 =

gdzie: i - numer pozycji w liczbie,ai - dowolna cyfra heksadecymalna,n - ilość cyfr (pozycji) w liczbie

Przykład:

1C2H = 1*162 + C*161 + 2*160

1n

0i

i

i 16a

HEKSADECYMALNY (SZESNASTKOWY)

SYSTEM LICZBOWY

1.

2.

1C2H = 1*162 + C*161 + 2*160 =

= 1*256 + 12*16 + 2*1 = 450D

450:16 = 28

28:16 = 1

1:16 = 0

reszta=2

reszta=C

reszta=1 kie

run

ek

od

czytu

wyn

iku

czyli 450D = 1C2H

reszty zapisujemy w postaci cyfry heksadecymalnej

KONWERSJA LICZB (1)

Do konwersji zapisu binarnego na heksadecymalny i odwrotnie wykorzystuje się tabelę:

cyfra heksadecymalna liczba binarna liczba dziesiętna

0 0000 0

1 0001 1

2 0010 2

3 0011 3

4 0100 4

5 0101 5

6 0110 6

7 0111 7

8 1000 8

9 1001 9

A 1010 10

B 1011 11

C 1100 12

D 1101 13

E 1110 14

F 1111 15

KONWERSJA LICZB (2)

1C2H =

= 0001 1100 0010 =

= 000111000010 =

= 111000010B

111000010B =

= 0001 1100 0010B =

= 1C2H

każdą cyfrę hex. zapisujemy w postaci czwórki cyfr binarnych

odrzucamy nieznaczące zera na początku liczby binarnej

1.

2.liczbę binarną dzielimy od końca na czwórki ewentualnie dopisując nieznaczące zera w ostatniej (pierwszej) czwórce

każdą czwórkę binarną zapisujemy w postaci cyfry hex.

KONWERSJA LICZB (3)

OPERACJE RACHUNKOWE NA

LICZBACH BINARNYCH

DODAWANIE

0 + 0 =0

0 + 1 =1

1 + 0 =1

1 + 1 =10

MNOŻENIE

0 * 0 =0

0 * 1 =0

1 * 0 =0

1 * 1 =1

DODAWANIE TRZECH BITÓW

bit A bit B bit C SUMA PRZENIESIENIE

0 0 0 0 0

0 0 1 1 0

0 1 0 1 0

1 0 0 1 0

0 1 1 0 1

1 0 1 0 1

1 1 0 0 1

1 1 1 1 1

DODAWANIE LICZB BINARNYCH -

PRZYKŁAD

1 1 0 1 1 0 1

+ 1 0 0 1 0 0 1

1 0 1 1 0 1 1 0

1 0 0 1 0 0 1

SUMA

PRZENIESIENIE

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

Zbiorem kodowanym może być zbiór dowolnych obiektów (cyfr, liter, symboli graficznych, stanów logicznych, poleceń do wykonania itp.)

Kodowaniem nazywamy przyporządkowanie poszczególnym obiektom zbioru

kodowanego odpowiadających im elementów zwanych słowami kodowymi, przy

czym każdemu słowu kodowemu musi odpowiadać dokładnie jeden element

kodowany.

A

B

C

010

111

100

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).

KODOWANIE INFORMACJI (1)

WYBRANE METODY KODOWANIA

Kody binarne kod naturalny NKB – zwykła zamiana na liczbę binarną

kod prosty BCD – każdej z liczb z układu dziesiętnegoprzyporządkowuję się tetradę w kodzie binarnym.

Kodowanie znaków (tekstów) kod ASCII - w 1977 roku ANSI (American National

Standards Institute) zatwierdził kod ASCII (TheAmerican Standard Code for Information Interchange).Jest to system zapisu w pamięci komputerapodstawowych znaków graficznych i poleceństerujących. (nieefektywny do zapisu liczb !!)