Какие 5 наук входят в информатику. Информатика как наука: предмет изучения и исследования. Система счисления: основные понятия

Термин “информация” происходит от латинского “informatio”, что означает разъяснение, осведомление, изложение. С рационалистических позиций информация есть отражение реального мира с помощью сообщений. Сообщение - это форма представления каких-либо сведений в виде речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т. п. В широком смысле информация - это общенаучное понятие, включающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами. Информация - сведения об окружающем мире, которые повышают уровень осведомленности человека. Информатика рассматривает информацию как совокупность концептуально связанных между собой сведений, уменьшающих меру неопределенности знаний об окружающем мире. Наряду с понятием “информация” в информатике часто употребляется понятие “данные”.

Информационный процесс - процесс, в результате которого осуществляется прием, передача (обмен), преобразование и использования информации. С помощью органов чувств люди воспринимают информацию, осмысливают ее и на основании своего опыта, имеющихся знаний, интуиции принимают определенные решения. Эти решения воплощаются в реальные действия, которые в разной степени преобразуют окружающий мир. Информационные процессы протекают не только в человеческом обществе, но и в растительном мире.

Обеспечить должный уровень информационной культуры призвана в первую очередь такая дисциплина, как информатика. Ведь в ее компетенцию изначально входят: компьютерные информационные технологии, информационные системы, современные средства и методы обработки информации, системы искусственного интеллекта, компьютерные коммуникации.

Слово информатика привлекает исследователей по машинной обработке информации давно. За последние четыре-пять десятков лет информатика прошла официальный путь от названия научной дисциплины до названия науки. Возможно, что информатика неофициально уже существует 300 и более лет, так осознанная обработка сообщений (знания) с помощью различных устройств существовала давно. В последние 3-4 десятка лет информатика более всего связывалась с применением ВМ для обработки научно-технической информации. Будем использовать это понятие намного шире, поскольку для знаний, о которых пойдет разговор, открывается простор, заполняемый последнее время весьма интенсивно. Постепенно будет дана возможность разобраться по всем аспектам применения понятия информатика. Итак, будем считать, что это понятие заимствовано из узкой области знаний по применению ВМ до самой широкой области знаний, где используется ВМ. Все существовавшие определения информатики порождались в соответствии с фактом, что для работы на ВМ использовались главным образом процедурные и фактографические знания. Рассмотрим использование различных видов знания, поэтому и расширяем определение информатики. Первое, с чего начинается изучение понятия - это построение его определения. Главная цель всего материала книги - описание, раскрытие, определение, осмысление, обоснование и синтез нового толкования понятия информатика.

1. Понятие информатики

Информатика - наука, изучающая информационные аспекты системных процессов и системные аспекты информационных процессов. Это определение можно считать системным определением информатики.

Информатика - это наука об инвариантах (т.е. неизменных сущностях) информационных процессов, о их выявлении, описании, изучении, применении, пространственно-временной организации и самоорганизации. Такое определение естественно назвать синергетическим определением информатики и оно имеет важное значение при исследовании синергетики информационных процессов в различных системах.

Информатика тесно связана и с философией. Философия дает общие методы содержательного анализа, а информатика даёт общие методы формального анализа предметных областей (особенно, теоретическая, математическая информатика).

Можно дать философское определение информатики: информатика - это наука, изучающая общие свойства и процессы отражения материи, порядок в материи, ее структурированность и отражение в сознании человека, общества.

Дадим математическое определение информатики (определение математической информатики): информатика - наука, изучающая вопросы построения и исследования математических методов и моделей, алгоритмов, формальных систем для описания и актуализации различных информационных систем и процессов, различных классов операционных пространств. Эта – наука, математически (формальным языком) описывающая и исследующая их инварианты, абстрагируясь при этом от материальной основы информационных процессов.

Фундаментальность информатике придаёт не только широкое и глубокое использование математики, формальных методов и средств, а общность и фундаментальность её результатов, их универсальная методологическая направленность в производстве знаний. В этом смысле математическая информатика аналогична математической физике, математической биологии, математической экономике и др.

Предмет информатики точно (“математически”) невозможно определить, в силу его сложности, многосторонности, динамической изменчивости. Тем не менее, можно отметить следующие три основные ветви информатики (в классическом понимании), определяемые её познавательной и прагматической функциями, её внутренней и внешней сущностями (заметим, что деление информатики как науки и человеческой деятельности на те или иные части зависит от целей, задач, ресурсов).

Теоретическая, математическая информатика (brainware) изучает теоретические проблемы информатики (большей частью связанные с формальными системами, моделями, алгоритмами и теорией программирования, кодирования и организации систем).

Практическая, прикладная информатика (software) изучает практические, конкретные проблемы информатики (большей частью связанные с программированием и использованием моделей, программными и компьютерными технологиями и системами).

Техническая, инженерно-физическая информатика (hardware) изучает инженерно-физические, технические проблемы информатики (большей частью связанные с разработкой и использованием технических средств обработки информации, ЭВМ и систем ЭВМ, сетей).

Информатика базируется на следующих основных и важных понятиях:

информация и сообщение, в частности, получение, переработка, сжатие, актуализация информации сообщениями различного типа;

алгоритм и алгоритмизация, в частности, программа и программный комплекс, проектирование программ и программирование;

система и структура, отношение и связь, порядок, выбор, в частности, информационные система и структура, отношения в них;

модель и моделирование, в частности, описание и исследование систем с помощью моделей и моделирования;

исполнитель и его операционная среда, в частности, ЭВМ и система ЭВМ;

языки и грамматики, в частности, алгоритмические языки, языки программирования, языки общения с различными системами и средами;

проектирование систем и технология, в частности, информационная, компьютерная технология.

Предметная область науки “информатика” - информационные процессы и системы, модели, языки их описания, технологии их актуализации, направленные как на получение знаний (это - внутренняя сущность информатики), так и на применение знаний, принятие на их основе решений в различных предметных областях (это - внешняя сущность информатики).

Эти информационные процессы могут происходить в живых существах (организмах), автоматах (технических устройствах), обществе, в индивидуальном и общественном сознании.

2. Назначение информатики

Последняя информационная революция привела к появлению множества новых областей теории и практики, которые связаны с изучением и производством технических средств, методов, технологий, обеспечивающих прирост новых знаний. Одной из таких областей знаний является информатика. Понятие “информатика” возникло в 60-х годах во Франции для обозначения области, занимающейся автоматизированной обработкой информации с помощью электронных вычислительных машин (ЭВМ). Французский термин Informatique (информатика) образован путем слияния начала слова information (информация) и конца слова automatique (автоматика) и означает “информационная автоматика” или “автоматизированная переработка информации”. В англоязычных странах этому термину соответствует синоним Computer Science (наука о компьютерной технике). Выделение информатики как самостоятельной сферы человеческой деятельности связано, в первую очередь, с развитием компьютерной техники. Термин “информатика” начинает выступать в обновленном виде и служит не только для отражения успехов компьютерной техники, но связывается уже с глобальными процессами передачи и обработки информации. В нашей стране подобная трактовка термина “информатика” утвердилась с момента принятия соответствующего решения в 1983 году на сессии годичного собрания Академии наук СССР об организации нового отделения информатики, вычислительной техники и автоматизации. Информатика трактовалась как “...комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования основанных на ЭВМ систем переработки информации, их применения и воздействия на различные области социальной практики”. В таком понимании информатика нацелена на разработку общих методологических принципов построения информационных моделей. Поэтому методы информатики применимы всюду, где существует возможность описания объекта, явления, процесса и т. п. с помощью информационных моделей. Существует множество определений информатики, что связано с многогранностью ее функций, возможностей, средств и методов. Обобщая существующие определения этого термина, предлагаем такую трактовку: Информатика - область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования и использования информации с помощью компьютера. Главная функция информатики заключается в разработке методов и средств преобразования информации. Исходя из этого, задачи информатики состоят в следующем:

Исследование информационных процессов любой природы;

Разработка новейшей информационной технологии на базе компьютеров и компьютерных сетей;

Решение научных и инженерных проблем создания и внедрения аппаратно-программного обеспечения компьютеров. Круг проблем, рассматриваемых информатикой, настолько широк, что помимо сугубо специальных тем, касающихся исключительно компьютерной техники, приходится вникать в проблемы других областей знаний, таких как физика, химия, биология, литература. Это обусловлено тем, что информатика представляет совершенно особую отрасль знаний, которая интегрирует (объединяет) все остальные. Благодаря ожидаемому внедрению информационных систем и технологий в различные сферы деятельности, можно представить область информатики как некую среду существования прочих дисциплин. Информатика должна стать дисциплиной совершенно иного уровня и качества, нежели все существующие ныне. Она будет обобщать знания, полученные по другим предметам, учить новому системному осмыслению происходящих в мире процессов и явлений.

Научная база информатики представлена на рис. 1.

Научные основы информатики

Алгебры Системы Алгоритмы Языки Модели

множеств; кодов и управления; описания данных;

отношений; шифров; вычисли- алгоритмов; процессов;

чисел; данных; тельные; общения с систем;

предикатов; знаний; информа- системами; технологий;

логики; исполните- ционные; метаязыки; знаний.

структур; лей; эвристичес- знаний;

Рис. 1. Структурная схема научной базы информатики.

Заключение

Определение информатики существенно отличается от известных в литературе по информатике, но является естественным развитием имеющихся определений. Это определение отходит от определений, которые используют понятие обработки информации, но является естественным развитием известного кибернетического понимания смысла обработки информации. Все подобные коллизии необходимо рассмотреть и как результат обосновать приведенное определение.

Сопоставление кибернетики и информатики сводится к изучению двух центральных понятий - информация и знание. Тщательное рассмотрение этих понятий существенно уточняет понятие информатики. Важно также соотношение человек и информатика, поскольку знание, в конечном счете, предназначено для человека. И последнее, информатика как «существо» можно сопроводить ответами на анкету (отчасти в шутливой форме). Краткая персоналия завершает введение. Такова программа введения к описательной информатике.

Определение информатики возникло в недрах кибернетики. Информатика стала самостоятельной наукой, что породило споры о субординации двух наук. Сопоставление теории познания (гносеология или эпистемология) и информатики сводится к разделению их по определениям, по предмету, по рассматриваемым ими проблемам и по другим атрибутам научной дисциплины. Теория познания - это раздел философии, в котором изучаются закономерности и возможности познания человеком, отношение знания (наблюдений, ощущений, представлений, понятий, обобщений и применений) к окружающему миру (объективной реальности), исследуются ступени и формы процесса познания, условия и критерии его достоверности и истинности. Информатика (как наука) занимается методологией, технологией и опытом познания (анатомией познавательной деятельности). По-видимому, только прямое сопоставление может более точно ответить на вопрос о различиях теории познания и информатики. Возможность проведения такого сопоставления предоставляется читателю, критика которого всегда полезна и плодотворна.

Информатика, как и математика, и как физика и др. является наукой для описания и исследования проблем других наук. Она предоставляет свои общие и/или частные методы исследования другим наукам, помогает прокладывать и усиливать междисциплинарные связи, исследовать проблемы различных наук, цементирует их своими идеями, методами, технологиями и, особенно, своими результатами.

Информатика предоставляет междисциплинарные методы и процедуры: абстрагирование и конкретизация; анализ и синтез; индукция и дедукция; формализация; виртуализация; визуализация; структурирование; алгоритмизация и программирование; инфологическое (информационно-логическое) моделирование; математическое моделирование; компьютерное моделирование, вычислительный эксперимент; программное управление; распознавание, классификация и идентификация образов; экспертное оценивание, тестирование, макетирование и другие методы.

Список литературы

1. Гейман Л.М. Этапы развития информатики. // Микропроцессорные системы и средства, N3, 2001.

2. Герасименко В.А. Основы информатики (в 2-х частях). //МГИАН, 2002.

3. Громов Г.Р. Очерки информационной технологии. - М., Наука, 2003.

4. Дубровский Е.Н., Соколова И.В. Основы социальной информатики (конспект лекции). - М., МГСУ, 2006.

5. Казиев В.М. Математика и информатика (в 3-х частях). – Нальчик, «Полиграфсервис и Т», 2001.

6. Колин К.К. Социальная информатика - научная база постиндустриального общества // Социальная информатика - М., 2004.

7. Ракитов А.И. Философия компьютерной революции. - М., Наука, 2001.

8. Соколова И.В. Проблемы становления информатики как учебной дисциплины // Социальная информатика - 95, М., 1995.

9. Соколов А.В. Эволюция социальных коммуникаций. - С.-Пб., 2005.

10. Соколов А.В. Феномен информатики и псевдофеномен информации // Вестник ВОИВТ, 1990, № 3.

11. Страссман П. Информация в век электроники. Проблемы управления. М., Экономика, 2007.

В англоязычных странах применяют термин computer science – компьютерная наука.

Теоретической основой информатики является группа фундаментальных наук таких как: теория информации, теория алгоритмов, математическая логика, теория формальных языков и грамматик, комбинаторный анализ и т.д. Кроме них информатика включает такие разделы, как архитектура ЭВМ, операционные системы, теория баз данных, технология программирования и многие другие. Важным в определении информатики как науки является то, что с одной стороны, она занимается изучением устройств и принципов действия средств вычислительной техники, а с другой – систематизацией приемов и методов работы с программами, управляющими этой техникой.

Информационная технология – это совокупность конкретных технических и программных средств, с помощью которых выполняются разнообразные операции по обработке информации во всех сферах нашей жизни и деятельности. Иногда информационную технологию называют компьютерной технологией или прикладной информатикой.

Информация аналоговая и цифровая.

Термин «информация» восходит к латинскому informatio,– разъяснение, изложение, осведомленность.

Информацию можно классифицировать разными способами, и разные науки это делают по-разному. Например, в философии различают информацию объективную и субъективную. Объективная информация отражает явления природы и человеческого общества. Субъективная информация создается людьми и отражает их взгляд на объективные явления.

В информатике отдельно рассматривается аналоговая информация и цифровая. Это важно, поскольку человек благодаря своим органам чувств, привык иметь дело с аналоговой информацией, а вычислительная техника, наоборот, в основном, работает с цифровой информацией.

Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Свет, звук, тепло – это энергетические сигналы, а вкус и запах – это результат воздействия химических соединений, в основе которого тоже энергетическая природа. Человек испытывает энергетические воздействия непрерывно и может никогда не встретиться с одной и той же их комбинацией дважды. Нет двух одинаковых зеленых листьев на одном дереве и двух абсолютно одинаковых звуков – это информация аналоговая. Если же разным цветам дать номера, а разным звукам – ноты, то аналоговую информацию можно превратить в цифровую.

Музыка, когда ее слушают, несет аналоговую информацию, но если записать ее нотами, она становится цифровой.

Разница между аналоговой информацией и цифровой, прежде всего, в том, что аналоговая информация непрерывна, а цифровая дискретна.

К цифровым устройствам относятся персональные компьютеры – они работают с информацией, представленной в цифровой форме, цифровыми являются и музыкальные проигрыватели лазерных компакт дисков.

Кодирование информации.

Кодирование информации – это процесс формирования определенного представления информации.

В более узком смысле под термином «кодирование» часто понимают переход от одной формы представления информации к другой, более удобной для хранения, передачи или обработки.

Компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (звуки, изображения, показания приборов и т. д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Например, чтобы перевести в числовую форму музыкальный звук, можно через небольшие промежутки времени измерять интенсивность звука на определенных частотах, представляя результаты каждого измерения в числовой форме. С помощью компьютерных программ можно преобразовывать полученную информацию, например «наложить» друг на друга звуки от разных источников.

Аналогично на компьютере можно обрабатывать текстовую информацию. При вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.

Как правило, все числа в компьютере представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр, как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом устройства для их обработки получаются значительно более простыми.

Единицы измерения информации. Бит. Байт.

Бит – наименьшая единица представления информации. Байт – наименьшая единица обработки и передачи информации.

Решая различные задачи, человек использует информацию об окружающем нас мире. Часто приходится слышать, что сообщение несет мало информации или, наоборот, содержит исчерпывающую информацию,при этом разные люди, получившие одно и то же сообщение (например, прочитав статью в газете), по-разному оценивают количество информации, содержащейся в нем. Это означает, что знания людей об этих событиях (явлениях) до получения сообщения были различными. Количество информации в сообщении, таким образом, зависит от того, насколько ново это сообщение для получателя. Если в результате получения сообщения достигнута полная ясность в данном вопросе (т.е. неопределенность исчезнет), говорят, что получена исчерпывающая информация. Это означает, что нет необходимости в дополнительной информации на этутему. Напротив, если после получения сообщения неопределенность осталась прежней (сообщаемые сведения или уже были известны, или не относятся к делу), значит, информации получено не было (нулевая информация).

Подбрасывание монеты и слежение за ее падением дает определенную информацию. Обе стороны монеты «равноправны», поэтому одинаково вероятно, что выпадет как одна, так и другая сторона. В таких случаях говорят, что событие несет информацию в 1 бит. Если положить в мешок два шарика разного цвета, то, вытащив вслепую один шар, мы также получим информацию о цвете шара в 1 бит.

Единица измерения информации называется бит (bit) – сокращение от английских слов binary digit, что означает двоичная цифра.

В компьютерной технике бит соответствует физическому состоянию носителя информации: намагничено – не намагничено, есть отверстие – нет отверстия. При этом одно состояние принято обозначать цифрой 0, а другое – цифрой 1. Выбор одного из двух возможных вариантов позволяет также различать логические истину и ложь. Последовательностью битов можно закодировать текст, изображение, звук или какую-либо другую информацию. Такой метод представления информации называется двоичным кодированием (binary encoding).

В информатике часто используется величина, называемая байтом (byte) и равная 8 битам. И если бит позволяет выбрать один вариант из двух возможных, то байт, соответственно, 1 из 256 (2 8). Наряду с байтами для измерения количества информации используются более крупные единицы:

1 Кбайт (один килобайт) = 2\up1210 байт = 1024 байта;

1 Мбайт (один мегабайт) = 2\up1210 Кбайт = 1024 Кбайта;

1 Гбайт (один гигабайт) = 2\up1210 Мбайт = 1024 Мбайта.

Например, книга содержит 100 страниц; на каждой странице – 35 строк, в каждой строке – 50 символов. Объем информации, содержащийся в книге, рассчитывается следующим образом:

Страница содержит 35 × 50 = 1750 байт информации. Объем всей информации в книге (в разных единицах):

1750 × 100 = 175 000 байт.

175 000 / 1024 = 170,8984 Кбайт.

170,8984 / 1024 = 0,166893 Мбайт.

Файл. Форматы файлов.

Файл – наименьшая единица хранения информации, содержащая последовательность байтов и имеющая уникальное имя.

Основное назначение файлов – хранить информацию. Они предназначены также для передачи данных от программы к программе и от системы к системе. Другими словами, файл – это хранилище стабильных и мобильных данных. Но, файл – это нечто большее, чем просто хранилище данных. Обычно файл имеет имя, атрибуты, время модификации и время создания.

Файловая структура представляет собой систему хранения файлов на запоминающем устройстве, например, на диске. Файлы организованы в каталоги (иногда называемые директориями или папками). Любой каталог может содержать произвольное число подкаталогов, в каждом из которых могут храниться файлы и другие каталоги.

Способ, которым данные организованы в байты, называется форматом файла.

Для того чтобы прочесть файл, например, электронной таблицы, нужно знать, каким образом байты представляют числа (формулы, текст) в каждой ячейке; чтобы прочесть файл текстового редактора, надо знать, какие байты представляют символы, а какие шрифты или поля, а также другую информацию.

Программы могут хранить данные в файле способом, выбираемым программистом. Часто предполагается, однако, что файлы будут использоваться различными программами, поэтому многие прикладные программы поддерживают некоторые наиболее распространенные форматы, так что другие программы могут понять данные в файле. Компании по производству программного обеспечения (которые хотят, чтобы их программы стали «стандартами»), часто публикуют информацию о создаваемых ими форматах, чтобы их можно было бы использовать в других приложениях.

Все файлы условно можно разделить на две части – текстовые и двоичные.

Текстовые файлы – наиболее распространенный тип данных в компьютерном мире. Для хранения каждого символа чаще всего отводится один байт, а кодирование текстовых файлов выполняется с помощью специальных таблиц, в которых каждому символу соответствует определенное число, не превышающее 255. Файл, для кодировки которого используется только 127 первых чисел, называется ASCII - файлом (сокращение от American Standard Code for Information Intercange – американский стандартный код для обмена информацией), но в таком файле не могут быть представлены буквы, отличные от латиницы (в том числе и русские). Большинство национальных алфавитов можно закодировать с помощью восьмибитной таблицы. Для русского языка наиболее популярны на данный момент три кодировки: Koi8-R, Windows-1251 и, так называемая, альтернативная (alt) кодировка.

Такие языки, как китайский, содержат значительно больше 256 символов, поэтому для кодирования каждого из них используют несколько байтов. Для экономии места зачастую применяется следующий прием: некоторые символы кодируются с помощью одного байта, в то время как для других используются два или более байтов. Одной из попыток обобщения такого подхода является стандарт Unicode, в котором для кодирования символов используется диапазон чисел от нуля до 65 536. Такой широкий диапазон позволяет представлять в численном виде символы языка любого уголка планеты.

Но чисто текстовые файлы встречаются все реже. Документы часто содержат рисунки и диаграммы, используются различные шрифты. В результате появляются форматы, представляющие собой различные комбинации текстовых, графических и других форм данных.

Двоичные файлы, в отличие от текстовых, не так просто просмотреть, и в них, обычно, нет знакомых слов – лишь множество непонятных символов. Эти файлы не предназначены непосредственно для чтения человеком. Примерами двоичных файлов являются исполняемые программы и файлы с графическими изображениями.

Примеры двоичного кодирования информации.

Среди всего разнообразия информации, обрабатываемой на компьютере, значительную часть составляют числовая, текстовая, графическая и аудиоинформация. Познакомимся с некоторыми способами кодирования этих типов информации в ЭВМ.

Кодирование чисел.

Есть два основных формата представления чисел в памяти компьютера. Один из них используется для кодирования целых чисел, второй (так называемое представление числа в формате с плавающей точкой) используется для задания некоторого подмножества действительных чисел.

Множество целых чисел, представимых в памяти ЭВМ, ограничено. Диапазон значений зависит от размера области памяти, используемой для размещения чисел. В k -разрядной ячейке может храниться 2 k различных значений целых чисел.

Чтобы получить внутреннее представление целого положительного числа N , хранящегося в k -разрядном машинном слове, нужно:

1) перевести число N в двоичную систему счисления;

2) полученный результат дополнить слева незначащими нулями до k разрядов.

Например, для получения внутреннего представления целого числа 1607 в 2-х байтовой ячейке число переводится в двоичную систему: 1607 10 = 11001000111 2 . Внутреннее представление этого числа в ячейке имеет вид: 0000 0110 0100 0111.

Для записи внутреннего представления целого отрицательного числа (–N) нужно:

1) получить внутреннее представление положительного числа N ;

2) получить обратный код этого числа, заменяя 0 на 1 и 1 на 0;

3) полученному числу прибавить 1 к полученному числу.

Внутреннее представление целого отрицательного числа –1607. С использованием результата предыдущего примера и записывается внутреннее представление положительного числа 1607: 0000 0110 0100 0111. Обратный код получается инвертированием: 1111 1001 1011 1000. Добавляется единица: 1111 1001 1011 1001 – это и есть внутреннее двоичное представление числа –1607.

Формат с плавающей точкой использует представление вещественного числа R в виде произведения мантиссы m на основание системы счисления n в некоторой целой степени p , которую называют порядком: R = m * n p .

Представление числа в форме с плавающей точкой неоднозначно. Например, справедливы следующие равенства:

12,345 = 0,0012345 × 10 4 = 1234,5 × 10 -2 = 0,12345 × 10 2

Чаще всего в ЭВМ используют нормализованное представление числа в форме с плавающей точкой. Мантисса в таком представлении должна удовлетворять условию:

0,1 p Ј m p . Иначе говоря, мантисса меньше 1 и первая значащая цифра – не ноль (p – основание системы счисления).

В памяти компьютера мантисса представляется как целое число, содержащее только значащие цифры (0 целых и запятая не хранятся), так для числа 12,345 в ячейке памяти, отведенной для хранения мантиссы, будет сохранено число 12 345. Для однозначного восстановления исходного числа остается сохранить только его порядок, в данном примере – это 2.

Кодирование текста.

Множество символов, используемых при записи текста, называется алфавитом. Количество символов в алфавите называется его мощностью.

Для представления текстовой информации в компьютере чаще всего используется алфавит мощностью 256 символов. Один символ из такого алфавита несет 8 бит информации, т. к. 2 8 = 256. Но 8 бит составляют один байт, следовательно, двоичный код каждого символа занимает 1 байт памяти ЭВМ.

Все символы такого алфавита пронумерованы от 0 до 255, а каждому номеру соответствует 8-разрядный двоичный код от 00000000 до 11111111. Этот код является порядковым номером символа в двоичной системе счисления.

Для разных типов ЭВМ и операционных систем используются различные таблицы кодировки, отличающиеся порядком размещения символов алфавита в кодовой таблице. Международным стандартом на персональных компьютерах является уже упоминавшаяся таблица кодировки ASCII.

Принцип последовательного кодирования алфавита заключается в том, что в кодовой таблице ASCII латинские буквы (прописные и строчные) располагаются в алфавитном порядке. Расположение цифр также упорядочено по возрастанию значений.

Стандартными в этой таблице являются только первые 128 символов, т. е. символы с номерами от нуля (двоичный код 00000000) до 127 (01111111). Сюда входят буквы латинского алфавита, цифры, знаки препинания, скобки и некоторые другие символы. Остальные 128 кодов, начиная со 128 (двоичный код 10000000) и кончая 255 (11111111), используются для кодировки букв национальных алфавитов, символов псевдографики и научных символов.

Кодирование графической информации.

В видеопамяти находится двоичная информация об изображении, выводимом на экран. Почти все создаваемые, обрабатываемые или просматриваемые с помощью компьютера изображения можно разделить на две большие части – растровую и векторную графику.

Растровые изображения представляют собой однослойную сетку точек, называемых пикселами (pixel, от англ. picture element). Код пиксела содержит информации о его цвете.

Для черно-белого изображения (без полутонов) пиксел может принимать только два значения: белый и черный (светится – не светится), а для его кодирования достаточно одного бита памяти: 1 – белый, 0 – черный.

Пиксел на цветном дисплее может иметь различную окраску, поэтому одного бита на пиксел недостаточно. Для кодирования 4-цветного изображения требуются два бита на пиксел, поскольку два бита могут принимать 4 различных состояния. Может использоваться, например, такой вариант кодировки цветов: 00 – черный, 10 – зеленый, 01 – красный, 11 – коричневый.

На RGB-мониторах все разнообразие цветов получается сочетанием базовых цветов – красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue), из которых можно получить 8 основных комбинаций:

Разумеется, если иметь возможность управлять интенсивностью (яркостью) свечения базовых цветов, то количество различных вариантов их сочетаний, порождающих разнообразные оттенки, увеличивается. Количество различных цветов – К и количество битов для их кодировки – N связаны между собой простой формулой: 2 N = К .

В противоположность растровой графике векторное изображение многослойно. Каждый элемент векторного изображения – линия, прямоугольник, окружность или фрагмент текста – располагается в своем собственном слое, пикселы которого устанавливаются независимо от других слоев. Каждый элемент векторного изображения является объектом, который описывается с помощью специального языка (математических уравнения линий, дуг, окружностей и т.д.) Сложные объекты (ломаные линии, различные геометрические фигуры) представляются в виде совокупности элементарных графических объектов.

Объекты векторного изображения, в отличие от растровой графики, могут изменять свои размеры без потери качества (при увеличении растрового изображения увеличивается зернистость).

Кодирование звука.

Из физики известно, что звук – это колебания воздуха. Если преобразовать звук в электрический сигнал (например, с помощью микрофона), то видно плавно изменяющееся с течением времени напряжение. Для компьютерной обработки такой – аналоговый – сигнал нужно каким-то образом преобразовать в последовательность двоичных чисел.

Делается это, например, так – измеряется напряжение через равные промежутки времени и полученные значения записываются в память компьютера. Этот процесс называется дискретизацией (или оцифровкой), а устройство, выполняющее его – аналого-цифровым преобразователем (АЦП).

Чтобы воспроизвести закодированный таким образом звук, нужно сделать обратное преобразование (для этого служит цифро-аналоговый преобразователь – ЦАП), а затем сгладить получившийся ступенчатый сигнал.

Чем выше частота дискретизации и чем больше разрядов отводится для каждого отсчета, тем точнее будет представлен звук, но при этом увеличивается и размер звукового файла. Поэтому в зависимости от характера звука, требований, предъявляемых к его качеству и объему занимаемой памяти, выбирают некоторые компромиссные значения.

Описанный способ кодирования звуковой информации достаточно универсален, он позволяет представить любой звук и преобразовывать его самыми разными способами. Но бывают случаи, когда выгодней действовать по-иному.

Издавна используется довольно компактный способ представления музыки – нотная запись. В ней специальными символами указывается, какой высоты звук, на каком инструменте и как сыграть. Фактически, ее можно считать алгоритмом для музыканта, записанным на особом формальном языке. В 1983 ведущие производители компьютеров и музыкальных синтезаторов разработали стандарт, определивший такую систему кодов. Он получил название MIDI.

Конечно, такая система кодирования позволяет записать далеко не всякий звук, она годится только для инструментальной музыки. Но есть у нее и неоспоримые преимущества: чрезвычайно компактная запись, естественность для музыканта (практически любой MIDI-редактор позволяет работать с музыкой в виде обычных нот), легкость замены инструментов, изменения темпа и тональности мелодии.

Есть и другие, чисто компьютерные, форматы записи музыки. Среди них – формат MP3, позволяющий с очень большим качеством и степенью сжатия кодировать музыку, при этом вместо 18–20 музыкальных композиций на стандартном компакт-диске (CDROM) помещается около 200. Одна песня занимает, примерно, 3,5 Mb, что позволяет пользователям сети Интернет легко обмениваться музыкальными композициями.

Компьютер – универсальная информационная машина.

Одно из основных назначений компьютера – обработка и хранение информации. С появлением ЭВМ стало возможным оперировать немыслимыми ранее объемами информации. В электронную форму переводят библиотеки, содержащие научную и художественную литературы. Старые фото- и кино-архивы обретают новую жизнь в цифровой форме.

Анна Чугайнова

ИНФОРМА́ТИКА (англ. informatics), наука об извлечении информации из сообщений, создании информационных ресурсов, программировании поведения машин и о других сущностях, связанных с построением и применением человеко-машинной среды решения задач моделирования, проектирования, взаимодействия, обучения и др. Изучает свойства информации, методы её извлечения из сообщений и представления в заданной форме; свойства, методы и средства информационного взаимодействия; свойства информационных ресурсов, методы и средства их создания, представления, сохранения, накопления, поиска, передачи и защиты; свойства, методы и средства построения и применения программируемых машин и человеко-машинной среды решения задач.

Научная продукция информатики

Научная продукция информатики служит методологическим основанием построения человеко-машинной среды решения задач (рис. 1), относящихся к различным областям деятельности .

Результаты исследований сущностей (в науке обычно называемых объектами) представлены их символьными и/или физическими моделями. Символьные модели – это описания добытых знаний [см. Символьное моделирование (s-моделирование)], а физические – прототипы изучаемых объектов, отражающие их свойства, поведение и др. Научный результат – модель системы знаний (или составляющая ранее определённой и опубликованной модели), описывающая совокупность объектов, включающую изучаемый объект, и связи между ними. Описание модели представлено в форме сообщения, рассчитанного на распознавание и интерпретацию научным сообществом. Значение результата зависит от предсказательной силы, воспроизводимости и применимости модели, а также от свойств сообщения, содержащего её описание.

Примерами результатов, сыгравших выдающуюся роль в методологическом обеспечении построения человеко-машинной среды решения задач, могут служить: изобретённая Дж. фон Нейманом модель цифровой электронной машины с хранимыми в общей памяти инструкциями программы и данными [известная как модель фон Неймана (the von Neumann model) и архитектура фон Неймана (the von Neumann architecture)] ; изобретённые создателем Веба (см. Всемирная паутина ) Т. Бернерс-Ли протокол HTTP (англ. HyperText Transfer Protocol – протокол передачи гипертекста ), являющийся протоколом прикладного уровня, определяющим правила передачи сообщений в гипермедийных (см. Мультимедиа ) системах, и унифицированный идентификатор ресурса URI (англ. Uniform Resource Identifier), ставший стандартом записи адреса ресурса, размещённого в сети Интернет . Трудно найти в наши дни (2017) область деятельности, где бы не применялась научная продукция информатики. На её основе созданы электронная почта, Веб, поисковые системы, IP-телефония, интернет вещей и другие интернет-сервисы (см. Интернет ); цифровая аудио-, фото- и видеозапись; системы автоматизированного проектирования (САПРы); компьютерные тренажёры и роботы (см. Компьютерное моделирование ), системы цифровой связи, навигационные системы, 3D-принтеры и др.

Основные понятия

Продолжающееся становление информатики сопровождается развитием её понятийного аппарата и уточнением предмета исследований. В 2006 в Институте проблем информатики Российской академии наук (ИПИ РАН) была создана новая область исследований – символьное моделирование произвольных объектов в человеко-машинной среде (сокращённо – с имвольное моделирование или s-моделирование). Один из первых научных проектов в этой области был посвящён методологии построения символьной модели системы знаний информатики в человеко-машинной среде. . В созданной в 2009 теории символьного моделирования (s-моделирования) была предложена очередная версия символьной модели ядра системы понятий информатики, включающего следующие понятия.

Сообщение (англ. message) рассматривается как конечная упорядоченная совокупность символов (визуальных, аудио- и др.; см. Символ в информатике) или её код (см. Код в информатике), удовлетворяющий протоколу взаимодействия источника с получателем. Существование сообщения предполагает наличие источника сообщения, получателя, носителя, среды передачи, средства доставки, протокола взаимодействия источника с получателем. В человеко-машинной среде решения задач (s-среде) люди с помощью программируемых машин (s-машин) формируют сообщения, представляя их на языках запросов, программирования и др.; выполняют различные преобразования (напр., из аналоговой формы в цифровую и обратно; из несжатой в сжатую и обратно; из одной формы представления документа в другую); распознают, используют сообщения для конструирования новых сообщений (программ, документов и др.); интерпретируют на моделях систем понятий (которые хранятся в памяти интерпретатора также в форме сообщений); обмениваются сообщениями, используя при этом программно-аппаратно реализованные системы правил (сетевые протоколы, см. Компьютерная сеть ); сохраняют и накапливают сообщения (создавая электронные библиотеки, энциклопедии и другие информационные ресурсы), решают задачи поиска и защиты сообщений.

Интерпретатор сообщения изучается как построитель выходного сообщения по входному в соответствии с заданной системой правил интерпретации. Необходимым условием построения интерпретатора сообщений является существование моделей входного и выходного языков, а также моделей систем понятий, на которых должны интерпретироваться сообщения, составленные на входном и выходном языках.

Данные (англ. data) – сообщение, необходимое для решения некоторой задачи или совокупности задач, представленное в форме, рассчитанной на распознавание, преобразование и интерпретацию решателем (программой или человеком). Человек воспринимает данные (текст, изображения и др.) в символьной форме, а программа компьютера или компьютерного устройства (смартфона, цифровой фотокамеры и др.) – в кодовой.

Информация (англ. information) изучается как результат интерпретации сообщения на модели системы понятий [см. Символьное моделирование (s-моделирование)]. Для извлечения информации из сообщения необходимо иметь принятое сообщение, представленное в форме, рассчитанной на распознавание и интерпретацию получателем сообщения; хранящиеся в памяти интерпретатора модели систем понятий, среди которых – необходимая для интерпретации принятого сообщения; механизмы поиска необходимой модели, интерпретации сообщения, представления результата интерпретации в виде, рассчитанном на получателя (рис. 2).

Например, результат интерпретации сообщения ma , представленного на языке a , полученный переводчиком (человеком или роботом) в виде сообщения mb на языке b , – информация, извлечённая из сообщения ma .

Программируемая задача (s-задача) рассматривается как набор {Formul , Rulsys , Alg , Prog }, где Formul – постановка задачи; Rulsys – множество систем обязательных и ориентирующих правил решения задачи , поставленных в соответствие Formul ; Alg – объединение множеств алгоритмов, каждое из которых соответствует одному элементу из Rulsys ; Prog – объединение множеств программ, каждое из которых поставлено в соответствие одному из элементов Alg . Для каждого элемента из Rulsys , Alg и Prog должно быть задано описание применения. Описания применения элементов Rulsys включают спецификацию типа решателя задачи (автономная s-машина, сетевая кооперация s-машин, кооперация «человек – s-машина» и др.), требование к информационной безопасности и др. Описания применения элементов из Alg включают данные о допустимых режимах работы решателя задачи (автоматический локальный, автоматический распределённый, интерактивный локальный и др.), о требованиях к полученному результату и др. Описания применения программ включают данные о языках реализации, операционных системах и др.

Алгоритм – формализованное описание конечного набора шагов решения задачи, соответствующего одному из элементов Rulsys и позволяющего поставить в однозначное соответствие заданному набору входных данных результирующий набор выходных данных.

Программа – алгоритм, реализованный на языке программирования высокого уровня, машинно-ориентированном языке и/или в системе машинных команд. Представлена в форме сообщения, определяющего поведение s-машинного решателя задачи с заданными свойствами. Существует в символьном, кодовом и сигнальном воплощениях, связанных отношениями трансляции (см. Компилятор в информатике).

Символ (англ. symbol) – заменитель природного или изобретённого объекта, обозначающий этот объект и являющийся элементом определённой системы построения символьных сообщений (текстов, нотных записей и др.), рассчитанных на восприятие человеком или роботом. Например, русский алфавит – система текстовых символов; буква А в этой системе – символ, заменяющий соответствующий звук из системы речевых аудиосимволов русского языка; букве А соответствует тактильный фактурный символ (воспринимаемый осязанием пальцами рук) в системе представления текстовых сообщений для слепых, известной как система Брайля (см. Брайлевский шрифт ). Множество визуальных, аудио- и других символов, выбранных для построения сообщений определённого типа, рассматривается как множество элементарных конструктивных объектов, каждый из которых наделён набором атрибутов и совокупностью допустимых операций. Создание конструкций из элементов этого множества определено системой правил построения символьных моделей [подробнее см. в статье Символ в информатике (s-символ)].

Код (англ. code) – заменитель символа или символьного сообщения, используемый для их представления в компьютерах, смартфонах и других программируемых машинах и предназначенный для построения, сохранения, передачи и интерпретации символьных сообщений [подробнее см. в статье Код в информатике (s-код )].

Сигнал (англ. signal) – оптическое, звуковое или другое воздействие, воспринимаемое органами чувств человека или сенсорами машины, либо представление кода в виде частоты электромагнитного излучения, композиций значений электрического напряжения, либо другое, рассчитанное на восприятие аппаратными средствами машины (например, центральным процессором компьютера, микропроцессором автомобильного навигатора). Символы, коды и сигналы связаны между собой отношениями преобразования. Каждому символу и символьной конструкции, рассчитанным на восприятие человеком или роботом, могут быть поставлены в однозначное соответствие коды, предназначенные для манипулирования ими с помощью программных средств компьютеров и компьютерных устройств.

Модель системы понятий. S-модель Cons системы понятий рассматривается как пара {ConsSet , ConsRel }, где ConsSet – множество понятий; ConsRel – семейство связей, заданных на ConsSet . Определение системы понятий – описание её модели, сопровождаемое указанием области применимости. Описание представлено в форме сообщения, рассчитанного на интерпретацию получателем, представление, сохранение, распространение, накопление и поиск в человеко-машинной среде интеллектуальной деятельности. В систему понятий, считающуюся определённой, не должны входить понятия, не имеющие определений (и при этом не относящиеся к понятиям-аксиомам). Определение области применимости модели – описание типов корреспондента (кому адресовано определение), цели, в процессе достижения которой определение имеет смысл (классы задач, при изучении которых определение может быть полезно), стадии, на которой целесообразно использовать определение (концепция, методология решения и т. д.).

Модель системы знаний. Понятие «знать» в s-моделировании [см. Символьное моделирование (s-моделирование)] определено как состояние получателя сообщения, когда выходное сообщение, полученное в результате интерпретации входного, распознаётся как уже известное и не требует изменений в моделях систем понятий, хранящихся в памяти получателя сообщения. Понятие «знание» определено как комплексное умение извлекать информацию из сообщений, содержащих условия задач определённого класса (это могут быть задачи распознавания образов, перевода с одного языка на другой или иные классы задач). S-модель системы знаний рассматривается как триада {Cons , Lang , Interp }, где Cons – s-модель системы понятий; Lang – s-модель совокупности языков сообщений, интерпретируемых на Cons ; Interp – s-модель совокупности интерпретаторов на Cons сообщений, составленных на языках из Lang .

Интерпретация сообщения на модели Cons включает:

1) построение выходного сообщения (извлечение информации) по заданному входному (сообщения представлены на языках из совокупности Lang );

2) анализ выходного сообщения (требуются ли изменения в модели Cons );

3) если требуется, то изменение модели Cons ; если нет – завершение.

Например, мозговым центром современной системы автоматизированного проектирования (САПР) является система знаний. От того, насколько она удачно построена, зависит продуктивность проектирования.

Программируемая машина (s-машина) – программно-аппаратное сооружение для решения задач. Суперкомпьютеры, мейнфреймы, персональные компьютеры, ноутбуки, смартфоны, навигаторы, цифровые фото- и видеокамеры – всё это s-машины. Клавиатуры, мыши, трекболы, тачпады и другие устройства ввода – составляющие s-машин, выполняющие преобразования символов в коды, воспринимаемые драйверами (см. Драйвер в информатике) соответствующих устройств. Мониторы персональных компьютеров, дисплеи ноутбуков, навигаторов и др. выполняют преобразования кодов, порождаемых видеоконтроллерами, в символьные композиции, рассчитанные на зрительный канал человека.

(s-среда) – объединение компьютерных сетей и отдельных программируемых машин, используемых для решения различных задач. Средство информатизации различных видов деятельности. S-среда должна обеспечивать представление цифровых кодов символьных моделей и манипулирование такими кодами с помощью s-машин. В основе современных цифровых технологий связи, автоматизированного проектирования и др. лежит идея, замечательная по последствиям своей реализации, – свести всё символьное многообразие к цифровым кодам [а каждый из них – к единому коду (до сих пор им остаётся двоичный код)] и поручить работу с кодами программируемым машинам, объединённым в человеко-машинную среду решения задач.

Информационное взаимодействие в s-среде (рис. 3) изучается как совокупность интерфейсов типа «человек – человек», «человек – программа», «человек – аппаратное средство программируемой машины», «программа – программа», «программа – аппаратное средство» (см. Интерфейс Порт в информатике). Человек воспринимает входные аналоговые сигналы (световые, звуковые и др.) с помощью зрительного, слухового и других входных устройств биоинтеллекта (биологической системы, обеспечивающей функционирование интеллекта). Интересующие его сигналы он преобразует в символьные визуальные, аудио- и другие конструкции, используемые в процессах мышления. Выходные сигналы биоинтеллекта реализуются посредством жестов (например, используемых при вводе с клавиатуры и мыши), речи и др. . Входом и выходом программ служат коды входных данных и результата (см. Код в информатике), а входом и выходом аппаратных средств – сигналы. Входные аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП), а выходные цифровые – в аналоговые с помощью цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП).

В современной (2017) s-среде природные средства восприятия сигналов человеком, их обработки и сохранения дополнены изобретёнными: цифровыми фото- и видеокамерами, смартфонами и др. Широко известная часть технологий информационного взаимодействия представлена быстро развивающимися Интернет-сервисами. Для взаимодействия между людьми используются электронная почта (англ. e-mail), различные виды интернет-связи [интернет-телефонии (IP-телефония); например реализованной в интернет-сервисе Skype; мессенджеры (англ. messenger – связной); например интернет-сервис Telegram)], социальные сети (англ. social networks) и др. Для взаимодействия используемых людьми вещей (систем освещения, поддержания температуры и др.) между собой и с внешней средой применяются информационные технологии «интернета вещей» (см. Интернет ).

Классы базовых задач

На основании изучения свойств и закономерностей символьного моделирования (s-моделирования) определены следующие классы базовых задач информатики .

Представление моделей произвольных объектов , рассчитанных на восприятие человеком и программируемыми машинами, связано с изобретением языков сообщений, удовлетворяющих определённым требованиям. В этом классе изучаются системы символов и кодов, используемые соответственно в человеко- и машинно-ориентированных языках. К первым отнесены языки спецификации, программирования, запросов, ко вторым – системы машинных команд. Этот класс включает также задачи представления данных. В него входят задачи представления моделей систем понятий, на которых интерпретируются сообщения. На верхнем уровне задачной иерархии этого класса находится представление моделей систем знаний.

Преобразование типов и форм представления символьных моделей позволяет устанавливать соответствия между моделями. Задачи преобразования типов (например, речевой в текстовый и обратно) и форм (например, аналоговой в цифровую и обратно; несжатой в сжатую и обратно; *.doc в *.pdf) – необходимое дополнение к задачам представления моделей.

Распознавание сообщения предполагает необходимость его представления в формате, известном получателю. При выполнении этого условия для распознавания сообщения решаются задачи сопоставления с моделями-образцами, либо сопоставления свойств распознаваемой модели со свойствами моделей-образцов. Например, в задаче биометрической идентификации человека его биометрические данные (входное сообщение) сопоставляются с биометрическим образцом из базы данных биометрической системы.

Конструирование моделей систем понятий, систем знаний, интерпретаторов сообщений на моделях систем понятий; моделей задач, технологий программирования, взаимодействия в s-среде; моделей архитектур s-машин, компьютерных сетей, сервис-ориентированных архитектур; моделей сообщений и средств их построения, документов и документооборота. На верхнем уровне иерархии этого класса находятся задачи конструирования моделей s-среды и технологий символьного моделирования.

Интерпретация сообщений (извлечение информации) предполагает существование принятого сообщения, модели системы понятий, на которой оно должно интерпретироваться, и механизма интерпретации. Решение задач в человеко-машинной среде – интерпретация исходных данных (входное сообщение) на модели системы понятий, представленной в алгоритме. Результат решения – выходное сообщение (информация, извлечённая из входного сообщения). Если интерпретатором служит исполняемая программа, то исходные данные, программа и результат решения задачи представлены соответствующими кодами (см. Код в информатике). Для микропроцессора программируемой машины сообщения, подлежащие интерпретации, и результаты интерпретации представлены сигналами, соответствующими кодам машинных команд и данных. Например, при съёмках цифровой фотокамерой сообщение (в виде светового сигнала) воздействует на светочувствительную матрицу, распознаётся ею, а затем преобразуется в цифровой код изображения, который интерпретируется программой, улучшающей качество изображения. Полученный результат преобразуется и записывается (на встроенный накопитель камеры или карту памяти) как графический файл .

Обмен сообщениями: изучаются задачи построения интерфейсов типа «человек – человек», «человек – программа», «человек – аппаратное средство программируемой машины», «программа – программа», «программа – аппаратное средство» (см. Интерфейс в информатике), «аппаратное средство – аппаратное средство» (см. Порт в информатике); задачи обмена сообщениями в человеко-машинной среде решения задач (с типизацией отправителей и получателей; средств отправки, передачи и получения сообщений; сред передачи сообщений). Изобретаются системы правил обмена сообщениями (сетевые протоколы); архитектуры сетей; системы документооборота. Например, сообщениями обмениваются процессы операционных систем (ОС), программы s-машин в компьютерной сети, пользователи электронной почты и др.

Сохранение, накопление и поиск сообщений: изучаются и типизируются память и накопители, механизмы управления ими; формы сохранения и накопления; носители, методы сохранения, накопления и поиска; базы данных и библиотеки программ. Изучаются модели предмета поиска (по образцу, по признакам, по описанию свойств) и методов поиска.

Информационная защита: изучаются задачи предотвращения и обнаружения уязвимостей, контроля доступа, защиты от вторжений, вредоносных программ, перехвата сообщений и несанкционированного применения.

Области исследований

Наиболее важные научные идеи, влияющие на развитие информатики, воплощены в методологическом обеспечении построения средств поддержки процессов познания, информационного взаимодействия и автоматизированного решения различных задач. На современном этапе (2017) развития информатики актуальными являются следующие взаимосвязанные комплексы областей исследований.

Автоматизация вычислений (вычисления с помощью программируемых машин): изучаются модели, архитектуры и системы команд программируемых машин; алгоритмизация программируемых задач [алгоритмы и структуры данных, распределённые алгоритмы (Distributed Algorithms), рандомизированные алгоритмы (Randomized Algorithms) и др.]; распределённые вычисления (Distributed Computing), облачные вычисления (Cloud Computing); сложность и ресурсоёмкость вычислений.

Программирование: изучаются системы текстовых символов и кодов; языки программирования и спецификации задач; трансляторы; библиотеки программ; системное программирование; операционные системы; инструментальные системы программирования; системы управления базами данных; технологии программирования; онлайн-сервисы решения задач и др.

Человеко-машинная среда решения задач (s-среда): изучаются модели, методы и средства построения s-среды, компьютерных сетей, сетей цифровой связи, Интернета.

Восприятие и представление сообщений, взаимодействие в s-среде: изучаются модели, методы и средства восприятия и представления визуальных, аудио, тактильных и др. сообщений; компьютерное зрение, слух и др. искусственные сенсоры; формирование аудио-, визуальных, тактильных и др. сообщений (включая комбинированные), рассчитанных на человека и робота-партнёра; распознавание аудио, визуальных и др. сообщений (речи, жестов и др.); обработка изображений, компьютерная графика, визуализация и др.; обмен сообщениями (модели сообщений, методы и средства их приёма и передачи); интерфейсы пользователя, программ, аппаратных средств, программ с аппаратными средствами; онлайн-сервисы взаимодействия (мессенджеры, социальные сети и др.).

Информационные ресурсы и системы для решения задач в s-среде: изучаются модели, методы и средства построения, представления, сохранения, накопления, поиска, передачи и защиты информационных ресурсов; электронный документооборот; электронные библиотеки и другие информационные системы; Веб (см. Всемирная паутина ).

Информационная безопасность и криптография: изучаются методы предотвращения и обнаружения уязвимостей; контроля доступа; защиты информационных систем от вторжений, вредоносных программ, перехвата сообщений; несанкционированного использования информационных ресурсов, программных и аппаратных средств.

Искусственный интеллект: изучаются модели, методы и средства построения интеллектуальных роботов, используемых в качестве партнёров человека (для решения задач безопасности, ситуационного управления и др.); экспертные методы принятия решений.

Символьное моделирование: изучаются системы визуальных, аудио-, тактильных и других символов, рассматриваемых как конструктивные объекты для построения рассчитанных на человека моделей произвольных сущностей (систем понятий и систем знаний, объектов окружающей среды и объектов, изобретённых людьми); системы кодов, поставленные в соответствие системам символов, которые предназначены для построения кодовых эквивалентов символьных моделей, рассчитанных на манипулирование с помощью программ; языки описания символьных моделей; типизация символьных моделей и их кодовых эквивалентов; методы построения символьных моделей систем понятий и систем знаний (включая системы знаний о программируемых задачах) [подробнее см. в статье Символьное моделирование (s-моделирование)].

Становление информатики

Символьное моделирование изучаемых объектов издавна служит основным инструментом представления добытых знаний. Изобретение символов (жестовых, графических и др.) и построенных из них символьных моделей сообщений, представление и накопление таких моделей во внешней среде стали ключевыми средствами формирования и развития интеллектуальных способностей. Доминирующая роль символьных моделей в интеллектуальной деятельности определяется не только их компактностью и выразительностью, но и тем, что не существует ограничений на типы носителей, применяемых для их хранения. Носителями могут быть память человека, бумажный лист, матрица цифровой фотокамеры, память цифрового диктофона или ещё что-то. Затраты на построение, копирование, передачу, сохранение и накопление символьных моделей несопоставимо меньше, чем аналогичные затраты, связанные с несимвольными моделями (например, макетами судов, зданий и др.). Без инструментария символьного моделирования трудно представить развитие науки, инженерного дела и др. видов деятельности.

На ранних этапах развития моделирования разнообразие моделируемых объектов ограничивалось тем, что принято называть объектами окружающей среды, и модели этих объектов были физическими. Развитие звуковых, жестовых и других средств символьного моделирования смыслов, вызванное потребностями сообщать об опасности, размещении объектов охоты и других объектах наблюдения, способствовало совершенствованию механизмов познания, взаимопонимания и обучения. Стали формироваться языки сообщений, включающие звуковые и жестовые символы. Стремление моделировать поведение (включая собственное) поставило новые задачи. Можно предположить, что изначально это стремление было связано с обучением рациональному поведению на охоте, в быту, при стихийных бедствиях. На определённом этапе задумались о создании таких средств моделирования, которые позволяли бы строить модели, допускающие их хранение, копирование и передачу.

Стремление повысить эффективность пояснений, сопровождающих показ, приводило к совершенствованию понятийного аппарата и средств его речевого воплощения. Развитие символьных моделей в виде графических схем и совершенствование речи привели к графической модели речи. Была создана письменность. Она стала не только важным этапом в становлении символьного моделирования, но и мощным инструментом в развитии интеллектуальной деятельности. Теперь описания объектов моделирования и связей между ними могли быть представлены композициями текстов, схем и рисунков. Был создан инструментарий для отображения наблюдений, рассуждений и планов в виде символьных моделей, которые можно было хранить и передавать. Актуальными стали задачи изобретения носителей, инструментов для письма и создания изображений, красящих средств и др. Это были первые задачи на пути построения среды символьного моделирования.

Важный этап в графическом моделировании связан с моделями схематических изображений (прародителей чертежей) – основы проектирования. Представление проектируемого трёхмерного объекта в трёх двумерных проекциях, на которых показаны размеры и наименования деталей, сыграло решающую роль в развитии инженерного дела. На пути от рукописных текстов, рисунков и схем к книгопечатанию и графическим моделям в проектировании, от звукозаписи, фотографии и радио к кино и телевидению, от компьютеров и локальных сетей к глобальной сети, виртуальным лабораториям и дистанционному образованию постоянно растёт роль символьных моделей, которые человек создаёт с помощью машин.

Продуктивность решателей задач – ключевая проблема производительности интеллектуальной деятельности, постоянно находящаяся в центре внимания изобретателей. Потребность в количественных оценках материальных объектов издавна стимулировала изобретение систем звуковых, жестовых, а затем и графических символов. Какое-то время обходились правилом: каждой величине – свой символ. Счёт с использованием камешков, палочек и других предметов (предметный счёт) предшествовал изобретению символьного счёта (на основе графического представления величин). По мере увеличения числа предметов, которые надо было применять, актуализировалась задача символьного представления величин. Формирование понятия «числа» и идея экономии символов при моделировании чисел привела к изобретению систем счисления. Особого упоминания заслуживает идея позиционных систем счисления, одной из которых (двоичной) в 20 в. суждено было сыграть ключевую роль в изобретении цифровых программируемых машин и цифровом кодировании символьных моделей. Изменение значения символа с изменением его позиции в последовательности символов – весьма продуктивная идея, обеспечившая продвижение в изобретении вычислительных устройств (от абака до компьютера ) .

Средства повышения продуктивности решателей задач. В 1622 –33 английский учёный Уильям Отред предложил вариант логарифмической линейки , ставший прототипом логарифмических линеек, которыми инженеры и исследователи всего мира пользовались более 300 лет (до того, как стали доступны персональные ЭВМ). В 1642 Б. Паскаль , стремясь помочь отцу в расчётах при сборе налогов, создаёт пятиразрядное суммирующее устройство (« Паскалину » ), построенное на основе зубчатых колёс. В последующие годы им были созданы шести- и восьмиразрядные устройства, которые были предназначены для суммирования и вычитания десятичных чисел. В 1672 немецкий учёный Г. В. Лейбниц создаёт цифровой механический калькулятор для арифметических операций над двенадцатиразрядными десятичными числами. Это был первый калькулятор, выполнявший все арифметические операции. Механизм, названный «Колесо Лейбница», вплоть до 1970-х гг. воспроизводился в различных ручных калькуляторах. В 1821 начался промышленный выпуск арифмометров. В 1836–48 Ч. Бэббидж выполнил проект механической десятичной вычислительной машины (названной им аналитической машиной), которую можно рассматривать как механический прототип будущих вычислительных машин. Программа вычислений, данные и результат записывались на перфокартах. Автоматическое выполнение программы обеспечивало устройство управления. Машина не была построена. В 1934 – 38 К. Цузе создал механическую двоичную вычислительную машину (длина слова – 22 двоичных разряда; память – 64 слова; операции с плавающей запятой). Вначале программа и данные вводились вручную. Примерно через год (после начала проектирования) было сделано устройство ввода программы и данных с перфорированной киноленты, а механическое арифметическое устройство (АУ) было заменено на АУ, построенное на телефонных реле. В 1941 Цузе с участием австрийского инженера Г. Шрайера создаёт первую в мире работающую полностью релейную двоичную вычислительную машину с программным управлением (Z3). В 1942 Цузе создал также и первую в мире управляющую цифровую вычислительную машину (S2), которая использовалась для управления самолётами-снарядами. Из-за секретности работ, выполненных Цузе, об их результатах стало известно только после окончания 2-й мировой войны . Первый в мире язык программирования высокого уровня Планкалкюль (нем. Plankalkül – план исчисления) был создан Цузе в 1943–45, опубликован в 1948. Первые цифровые электронные вычислительные машины, начиная с американского компьютера ЭНИАК [(ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Computer – электронный числовой интегратор и вычислитель); начало разработки – 1943, представлен публике в 1946], создавались как средства автоматизации математических вычислений.

Создание науки о вычислениях с помощью программируемых машин. В сер. 20 в. началось производство цифровых вычислительных машин, которые в США и Великобритании были названы компьютерами (computers), а в СССР – электронными вычислительными машинами (ЭВМ). С 1950-х гг. в Великобритании и с 1960-х – в США стала развиваться наука о вычислениях с помощью программируемых машин, получившая название Computer Science (компьютерная наука). В 1953 в Кембриджском университете была сформирована программа по специальности Computer Science; в США аналогичная программа введена в 1962 в Университете Пердью (Purdue University).

В Германии Computer Science получила название Informatik (информатика). В СССР область исследований и инженерного дела, посвящённая построению и применению программируемых машин, получила название «вычислительная техника». В декабре 1948 И. С. Брук и Б. И. Рамеев получили первое в СССР авторское свидетельство на изобретение автоматической цифровой машины. В 1950-е гг. было создано первое поколение отечественных ЭВМ (элементная база – электронные лампы): 1950 – МЭСМ (первая советская электронная вычислительная машина, разработанная под руководством С. А. Лебедева ); 1952 – М-1, БЭСМ (по 1953 самая быстродействующая ЭВМ в Европе); 1953 – « Стрела » (первая в СССР серийно выпускавшаяся ЭВМ); 1955 – «Урал-1 » из семейства «Урал » цифровых ЭВМ общего назначения (главный конструктор Б. И. Рамеев).

Совершенствование методов и средств автоматизации. С ростом доступности ЭВМ для пользователей из различных областей деятельности, начавшимся в 1970-х гг., наблюдается убывание доли математических задач, решаемых с помощью ЭВМ (изначально созданных как средства автоматизации математических вычислений), и рост доли нематематических задач (коммуникационных, поисковых и др.). Когда во второй половине 1960-х гг. стали производиться компьютерные терминалы с экранами, начались разработки программ экранных редакторов, предназначенных для ввода, сохранения и коррекции текста с отображением его на полном экране [одним из первых экранных редакторов стал O26, созданный в 1967 для операторов консоли компьютеров серии CDC 6000; в 1970 был разработан vi – стандартный экранный редактор для ОС Юникс (Unix) и Линукс (Linux)]. Применение экранных редакторов не только увеличило производительность труда программистов, но и создало предпосылки для существенных перемен в инструментарии автоматизированного построения символьных моделей произвольных объектов. Например, использование экранных редакторов для формирования текстов различного назначения (научных статей и книг, учебных пособий и др.) уже в 1970-е гг. позволило значительно увеличить производительность создания текстовых информационных ресурсов. В июне 1975 американский исследователь Алан Кей [создатель языка объектно-ориентированного программирования Смолток (Smalltalk) и один из авторов идеи персонального компьютера] в статье «Personal Computing» (« Персональные вычисления » ) написал: «Представьте себя обладателем автономной машины знаний в портативном корпусе, имеющем размер и форму обычного блокнота. Как бы вы стали использовать её, если бы её сенсоры превосходили ваше зрение и слух, а память позволяла хранить и извлекать при необходимости тысячи страниц справочных материалов, стихов, писем, рецептов, а также рисунки, анимации, музыкальные произведения, графики, динамические модели и что-то ещё, что вы хотели бы создать, запомнить и изменить?» . Это высказывание отражало совершившийся к тому времени поворот в подходе к построению и применению программируемых машин: от средств автоматизации в основном математических вычислений к средствам решения задач из различных областей деятельности. В 1984 компания « Kurzweil Music Systems » (KMS), созданная американским изобретателем Реймондом Курцвейлом, произвела первый в мире цифровой музыкальный синтезатор Kurzweil 250. Это был первый в мире специализированный компьютер, который жестовые символы, вводимые с клавиатуры, преобразовывал в музыкальные звуки.

Совершенствование методов и средств информационного взаимодействия. В 1962 американские исследователи Дж. Ликлайдер и У. Кларк опубликовали доклад о человеко-машинном взаимодействии в режиме онлайн . В докладе содержалось обоснование целесообразности построения глобальной сети как инфраструктурной платформы, обеспечивающей доступ к информационным ресурсам, размещённым на компьютерах, подключённых к этой сети. Теоретическое обоснование пакетной коммутации при передаче сообщений в компьютерных сетях было дано опубликованной в 1961 в статье американского учёного Л. Клейнрока. В 1971 Р. Томлинсон (США) изобрёл электронную почту , в 1972 этот сервис был реализован. Ключевым событием в истории создания Интернета стало изобретение в 1973 американскими инженерами В. Серфом и Р. Каном протокола управления передачей – TCP . В 1976 они продемонстрировали передачу сетевого пакета по протоколу TCP. В 1983 г. семейство протоколов TCP/IP было стандартизовано. В 1984 создана система доменных имён (DNS – Domain Name System) (см. Домен в информатике). В 1988 разработан протокол чата [интернет-сервиса обмена текстовыми сообщениями в реальном времени (IRC – Internet Relay Chat)]. В 1989 реализован проект Веба (см. Всемирная паутина ), разработанный Т. Бернерс-Ли . 6.6.2012 – знаменательный день в истории Интернета: крупные интернет-провайдеры, производители оборудования для компьютерных сетей и веб-компании стали использовать протокол IPv6 (наряду с протоколом IPv4), практически решив проблему дефицита IP-адресов (см. Интернет ). Высокому темпу развития Интернета способствует то, что со времени его зарождения профессионалы, занимающиеся научно-техническими задачами построения Интернета, без задержек обмениваются идеями и решениями, используя его возможности. Интернет стал инфраструктурной платформой человеко-машинной среды решения задач. Он служит коммуникационной инфраструктурой электронной почты , Веба, поисковых систем, интернет-телефонии (IP-телефонии) и других интернет-cервисов, применяемых при информатизации образования, науки, экономики, государственного управления и других видов деятельности. Созданные на основе Интернета электронные сервисы сделали возможным успешное функционирование разнообразных коммерческих и некоммерческих интернет-образований: интернет-магазинов, социальных сетей [Фейсбук (Facebook), ВКонтакте, Твиттер (Twitter) и др.], поисковых систем [Гугл (Google), Яндекс (Yandex) и др.], энциклопедических веб-ресурсов [Википедия (Wikipedia), Webopedia и др.], электронных библиотек [Всемирная цифровая библиотека (World Digital Library), Научная электронная библиотека eLibrary и др.], корпоративных и государственных информационных порталов и др.

Начиная с 2000-х гг., интенсивно растёт число интернет-решений – «умный дом» (Smart House), «умная энергосистема» (Smart Grid) и др., воплощающих концепцию «интернета вещей» (The Internet of Things). Успешно развиваются М2М-решения (M2M – Machine-to-Machine), основанные на информационных технологиях межмашинного взаимодействия и предназначенные для мониторинга датчиков температуры, счётчиков электроэнергии, воды и др.; отслеживания местоположения подвижных объектов на основе систем ГЛОНАСС и GPS (см. Спутниковая система позиционирования ); контроля доступа на охраняемые объекты и др.

Официальное оформление информатики в СССР. Официальное оформление информатики в СССР произошло в 1983, когда в составе Академии наук СССР было образовано Отделение информатики, вычислительной техники и автоматизации. В его состав вошли созданный в том же году Институт проблем информатики АН СССР, а также Институт прикладной математики АН СССР, Вычислительный центр АН СССР, Институт проблем передачи информации АН СССР и ряд других институтов. На первом этапе основными считались исследования в области технических и программных средств массовой вычислительной техники и систем на их основе. Полученные результаты должны были стать основанием для создания семейства отечественных персональных ЭВМ (ПЭВМ) и их применения для информатизации научной, образовательной и других актуальных видов деятельности.

Проблемы и перспективы

Методологическое обеспечение построения персональной s-среды. В ближайшие годы одно из актуальных направлений методологического обеспечения совершенствования s-среды будет связано с созданием персонализируемых систем решения задач, аппаратные средства которых размещаются в экипировке пользователя. Скорости передовых технологий беспроводной связи уже достаточны для решения многих задач на основе интернет-сервисов. Ожидается, что до 2025 скорости и распространённость беспроводных технологий связи достигнут таких уровней, при которых часть проводных интерфейсов наших дней будет вытеснена беспроводными. Снижение цен на интернет-сервисы также будет способствовать продвижению технологий персонализации s-среды пользователя. Актуальными проблемами, связанными с персонализацией s-среды, являются: создание более совершенных символьных и кодовых систем; программно-аппаратное преобразование аудио- и тактильных сообщений, отправляемых человеком, в графические, представленные композицией текста, гипертекста, специальных символов и изображений; технологическое совершенствование и унификация беспроводных интерфейсов [прежде всего видео-интерфейсов (вывод по выбору пользователя: на специальные очки, экраны монитора, телевизора или другого устройства видео-вывода)].

Методологическое обеспечение построения персональной s-среды должно опираться на результаты исследований в области искусственного интеллекта, направленных на построение не машинного имитатора интеллекта человека, а интеллектуального партнёра, управляемого человеком. Развитие технологий построения персональной s-среды предполагает усовершенствование методологий дистанционного обучения, взаимодействия и др.

ПОНЯТИЕ ИНФОРМАТИКИ. Составные части

Научным фундаментом процесса информатизации общества является научная дисциплина – информатика . Прежде всего, определимся, что такое информатика. В понимании некоторых людей это есть совокупность приемов и методов работы с компьютерами. На самом деле это не так: компьютеры являются лишь техническим средством, с помощью которого информатика реализует свой прикладной пользовательский аспект – правда, средством столь сложным и интересным, что оно способно поглотить массу внимания не только специалистов в области компьютерных технологий, но и непрофессионалов.

В различных источниках по-разному дают определение информатике. В частности в качестве примера запишем некоторые из них:

Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютеров.

Информатика – наука, изучающая структуру и свойства информа­ции, а также вопросы, связанные с ее сбором, хранением, поиском, переда­чей, преобразованием, распространением и использованием в различных сферах человеческой деятельности.

Информатика – это наука, изучающая свойства, структуру и функции информа­ционных систем , основы их проектирования, создания, использования и оценки, а также информационные процессы , в них происходящие. При этом под информационной системой понимают систему, организующую, хранящую и преобразующую информацию, то есть систему, основным предметом и продуктом труда в которой является информация .

Третье определение наиболее полно раскрывает сущность информатики.

Пристальное внимание к информатике связано с бурным ростом объ­ема человеческих знаний, который порой называют «информационным взрывом». Общая сумма человеческих знаний изменялась раньше очень медленно. Затем процесс получения новых знаний получил заметное ускоре­ние. Так, общая сумма человеческих знаний к 1800 г. удваивалась каждые 50 лет, к 1950 г. – каждые 10 лет, а к 1970 г. - каждые 5 лет, к 1990 г. - ежегодно.

Информатика тесно связана с кибернетикой, наукой об управлении , но не заменя­ет ее, а имеет свою область исследования. Кибернетика изучает общие закономер­ности процессов управления в системах любой природы , абстрагируясь от конк­ретного вида и их специфики. Информатика же изучает общие свойства только информационных систем и процессов с предварительной их дифференциацией (управленческие, медицинские, обучающие, информационно-поисковые и т. д.).

Информатику в общем случае можно разделить на теоретическую и прикладную .

Теоретическая информатика рассматривает все аспекты разработки автоматизированных информационных систем : их проектирования, создания и использования не только с формально-технической, но и с содержательной стороны, а также комплекс экономического, политического и культурного воздействия на социальную динамику. В орбиту анализа теоретической информатики попадают и традиционные системы преобразования информации и распространения знаний : средства и системы массовой информации, система лекционной пропаганды, кино, театры, справочные службы и т.д. При этом информатика рассматривает их с позиций получения и использования информационного ресурса , форм и способов воздействия указанных систем на общественный прогресс.

Информационный ресурс – это основное понятие информатики. Он представляет собой интеллектуальный ресурс общества, фактор коллективного творчества , и главная трудность в понимании его природы и функций состоит в раскрытии механизма перехода "знаний в силу", способов его воздействия на материальные факторы прогресса.

Информационный ресурс имеет две неразделимые стороны: формально-логическую (информационную) и семантическую . Формально-логическая сторона формируется в результате обобщения практики компьютеризации и развития инженерии знаний. Семантическая сторона основана на понимании процесса осознания чего-либо человеком. Главным объектом изучения при этом выступает соотношение знания и информации, переход одного во второе, а также фазовый переход знания в социальную силу.

Теоретическая информатика изучает законы функционирования информационного ресурса и использования его как движущей силы социального прогресса, а также общие, фундаментальные проблемы информационных технологий как исторического феномена, выводящего общество на новую ступень развития.

Под информационной технологией понимают систему процедур преобразования информа­ции с целью ее формирования, обработки, распространения и исполь­зования. Информационную технологию можно рассматривать как совокупность моделей, методов, алгоритмов и программ формирования и рационального использования информационного ресурса.

Основу современных информационных технологий состав­ляют:

Компьютерная обработка информации по заданным алгоритмам;

Хранение больших объемов информации на машинных носителях;

Передача информации на любое расстояние в ограниченное время.

Можно указать следующие основные отличительные черты современной (часто ее называют новой) информационной технологии:

1. Дружественность по отношению к пользователям программного и аппаратного интерфейса компьютера с разветвленной системой меню и подсказок (пользо­ватель может работать не в режиме программирования, а в режиме манипули­рования данными; может видеть и действовать , а не знать и помнить ).

2. Интерактивный (диалоговый) режим решения задач с широкими возможно­стями для пользователя оперативно влиять на ход решения.

3. Сквозная информационная поддержка всех этапов преобразования информа­ции с помощью интегрированной базы данных, унифицированных форм пред­ставления информации.

4. Возможность коллективного решения задач на основе информационных сетей и систем телекоммуникаций, обеспечивающих всем пользователям оператив­ный доступ к любым техническим, программным и информационным ресур­сам системы.

5. Безбумажная технология, при которой основным носителем информации яв­ляется не бумажный, а электронный документ, формируемый на машинном носителе (в памяти компьютера) и доводимый до пользователя через экран дисплея.

Технологический процесс преобразования информации в общем случае может включать в себя такие процедуры (стадии), как получение, сбор, регистрация информации, передача, хранение, обработка, выдача обработанной (резуль­татной) информации, принятие решения для выработки управляющих воздей­ствий.

Прикладная информатика изучает конкретные разновидности информационных технологий, которые формируются с помощью специальных информационных систем (управленческих, медицинских, обучающих, военных и др.). Информационные технологии в различных отраслях, имея общие черты, в то же время существенно различаются между собой. Разные операции и процедуры, различное оборудование, специализация критериев и показателей, даже разные носители информации, – все это становится объектом изучения конкретных функциональных и отраслевых информатик. Так рождаются ветви прикладной информатики, обслуживающие создание проектирующих систем, экспертных систем, управляющих и других функциональных систем.

В современном понимании информатика представляет собой область знаний, изучающую информационные процессы и методы их автоматизации на основе современных аппаратно-программных средств вычислительной техники .

Рассмотрим состав­ные части «ядра» современной информатики. Каждая из этих частей может рас­сматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина; взаимоот­ношения между ними примерно такие же, как между алгеброй, геометрией и мате­матическим анализом в классической математике – все они хоть и самостоятельные дисциплины, но, несомненно, части одной науки. Ядро современной информатики составляют: теоретическая информатика, вычислительная техника, программирование, информационные системы, искусственный интеллект и др.

Теоретическая информатика – часть информатики, включающая ряд математиче­ских разделов. Она опирается на математическую логику и включает такие разделы, как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория кодирования, теория формальных языков и грамматик, исследование операций и другие. Этот раздел информатики использует математические методы для общего изучения процессов обработки информации.

Вычислительная техника – раздел, в котором разрабатываются общие принципы построения вычислительных систем. Речь идет не о технических деталях и элек­тронных схемах (это лежит за пределами информатики как таковой), а о принципи­альных решениях на уровне так называемойархитектуры вычислительных (компью­терных) систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классиче­скими решений в этой области – неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной (многопроцессорной) обработки информации.

Программирование – деятельность, связанная с разработкой систем программного обеспечения. Здесь отметим лишь основные разделы современного программирова­ния: создание системного программного обеспечения и создание прикладного про­граммного обеспечения. Среди системного – разработка новых языков программиро­вания и компиляторов к ним, разработка интерфейсных систем (пример – общеизве­стная операционная оболочка и система Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные – системы обработки текстов, электронные таблицы (табличные процессоры), системы управления базами данных. В каждой области предметных приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ более узкого назначения.

Информационные системы – раздел информатики, связанный с решением вопро­сов по анализу потоков информации в различных сложных системах, их оптимиза­ции, структурировании, принципах хранения и поиска информации. Информаци­онно-справочные системы, информационно-поисковые системы, гигантские совре­менные глобальные системы хранения и поиска информации (включая широко известный Internet) в последнее десятилетие XX века привлекают внимание все большего круга пользователей. Без теоретического обоснования принципиальных решений в океане информации можно просто захлебнуться.

Искусственный интеллект – область информатики, в которой решаются слож­нейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Как научить компьютер мыслить подобно человеку? Поскольку мы далеко не все знаем о том, как мыслит человек, исследова­ния по искусственному интеллекту, несмотря на полувековую историю, все еще не привели к решению ряда принципиальных проблем. Основные направления разра­боток, относящихся к этой области – моделирование рассуждений, компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознавание образов и другие. От успехов работ в области искусственного интеллекта зависит, в частности, решение такой важнейшей прикладной проблемы, как создание интел­лектуальных интерфейсных систем взаимодействия человека с компьютером, благодаря которым это взаимодействие будет походить на межчеловеческое и станет более эффективным.

Информатика как наука возникла не на пустом месте. Она впитала в себя достижения ряда наук: кибернетики, теории информации, теории систем, системотехники, семиотики и других. Поэтому вся система категорий (понятий) информатики состоит из трех элементов:

Понятия, заимствованные из других наук;

Оригинальные понятия и аксиомы, отличающиеся принципиальной новизной;

Понятия более низких иерархий, раскрывающие содержание каждого из основных понятий информатики, как метанауки.

К заимствованным можно отнести следующие понятия: информация, информационный шум, избыточность, бит, байт и др. (из теории информации); цель, управляющая и управляемая система (подсистема), орган управления, объект управления и т. д. (из кибернетики).

Оригинальными понятиями информатики являются:

Информационный ресурс;

Информационная среда;

Автоматизированные информационные системы;

Информационные технологии;

Искусственный интеллект и ряд других.

Информационная среда – это аппаратные средства, программное обеспечение, телекоммуникации, уровень подготовки кадров – специалистов и пользователей, методы и формы управления и т.д. В информационную среду входят рассматриваемые как элементы единой системы все факторы, воздействующие на информационные процессы и информационные системы в течение всего жизненного цикла от проектирования до использования.

Автоматизированные информационные системы (АИС) представляют собой совокупность технических и программных средств, предназначенных для автоматизированной обработки информации с минимальным вмешательством человека. Неотъемлемой частью любой АИС является электронная вычислительная машина (или несколько ЭВМ).

Искусственный интеллект ориентирован на создание методов дублирования (разумеется, в пределах доступного) функций живых интеллектуальных систем искусственными системами. Естественно, что искусственный интеллект – не синоним искусственного разума. В нашем понимании слово "интеллект" означает ум, рассудок, разум, мыслительную способность человека. В этом смысле кибернетический автомат, ЭВМ никогда не сможет обладать интеллектом. Несмотря на то, что автоматы могут больше «знать», чем конкретный человек, быстрее вычислять, фильтровать данные, делать выборки и даже формально-логические выводы, накапливать знания – познать мир в содержательном аспекте, углублять понимание действительности, снимать неопределенность своего существования искусственные системы не могут. Поэтому под словосочетанием «искусственный интеллект» будем понимать, в первую очередь, то, что связано с коренной интеллектуализацией ЭВМ путем оснащения их программно-техническими средствами высокого уровня, способными делать логические выводы.

Информатика как отдельная отрасль промышленности включает в себя все основ­ные и обеспечивающие предприятия и организации по обработке данных и произ­водству алгоритмов, программ и средств вычислительной техники. Таким образом, правомерно вести речь об индустрии информатики .

Индустрия информатики - это инфраструктурная отрасль народного хозяйства, обслуживающая другие отрасли материального производства и непроизводствен­ной сферы, обеспечивая их необходимыми информационными ресурсами, созда­ющая условия для их эффективного функционирования и развития (своеобраз­ная «нервная система» общественного производства).

К основным элементам производственной структуры данной отрасли можно отне­сти:

Предприятия, производящие вычислительную технику и ее элементы;

Вычислительные центры различного типа и назначения (индивидуальные, ку­стовые, коллективного пользования и т. д.);

Локальные и подключенные к распределенным вычислительным сетям пункты обработки информации, оснащенные компьютерами (в том числе автоматизи­рованные рабочие места (АРМ) специалистов);

Абонентские пункты систем телеобработки данных и вычислительных сетей;

Системы связи и передачи данных в составе вычислительных сетей;

Предприятия, осуществляющие производство программных средств и проек­тирование автоматизированных систем управления (АСУ) и информационных систем (в частности, баз данных).

Как и любая наука, информатика имеет свой объект и предмет изучения (исследования).

Объект познания – это некий фрагмент реального мира, предмет познания – это выбранная для исследования методами данной науки сторона, грань, аспект объекта.

Объектом приложений информатики являются автоматизированные информационные системы (АИС) различного назначения. Среди них, в частности, можно выделить:

Автоматизированные системы управления (АСУ) – комплекс технических и про­граммных средств, которые во взаимодействии с человеком организуют управление объектами в производстве или общественной сфере (например, в образовании используются системы АСУ-ВУЗ). В зависимости от вида объекта управления различают АСУ персоналом и АСУ техническими средствами ;

Системы поддержки принятия решений (СППР) – АИС, предназначенные для автоматизации деятельности конкретных должностных лиц при выполнении ими своих должностных (функциональных) обязанностей в процессе управления персоналом и (или) техническими средствами;

Автоматизированные информационно-вычислительные системы (АИВС) – это АИС, предназначенные для решения сложных в математическом отношении задач, требующих больших объемов самой разнообразной информации. Эти системы используются для обеспечения научных исследований и разработок, а также как подсистемы АСУ и СППР в тех случаях, когда выработка управленческих решений должна опираться на сложные вычисления;

Автоматизированные системы обучения (АСО) – АИС, предназначенные для автоматизации подготовки специалистов с участием или без участия преподавателя и обеспечивающие обучение, подготовку учебных курсов, управление процессом обучения и оценку его результатов. Основными видами АСО являются автоматизированные системы программированного обучения (АСПО), системы обучения деловым играм (АСОДИ), тренажеры и тренажерные классы (ТТК);

Автоматизированные информационно-справочные системы (АИСС) – это АИС, предназначенные для сбора, хранения, поиска и выдачи в требуемом виде потребителям информации справочного характера.

Упомянем также диагностические системы в медицине, системы организации продажи билетов, системы ведения бухгалтерско-финансовой деятельности, систе­мы обеспечения редакционно-издательской деятельности – спектр применения информационных технологий чрезвычайно широк.

Предметом изучения информатики являются информационные технологии, которые реализуются на практике в автоматизированных информационных системах различного назначения.

НАУЧНЫЙ РЕФЕРАТ

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИНФОРМАТИКИ. ИНФОРМАТИКА КАК НАУКА. МЕСТО ИНФОРМАТИКИ В СИСТЕМЕ НАУК. СВЯЗЬ ИНФОРМАТИКИ С ДРУГИМИ НАУКАМИ

Введение

1.1 Структура информатики

2. Информационные средства

3. Назначение информатики

4. Информатика как наука

4.1 Данные

4.2 Информационный процесс

5. Место информатики в системе наук

6. Информатика как единство науки и технологии

7. Связь информатики с другими науками

Заключение

Появление вычислительных машин в 50-х гг. создало до становления информатики необходимую ей аппаратную поддержку, нужную для хранения и переработки информации. Но, конечно, с информацией люди оперировали уже задолго до появления компьютеров. Начиная с древнего абака, дожившего до наших дней в виде конторских счетов, создавались приспособления для обработки числовой информации. Механические устройства типа арифмометров, счетные электрические клавишные машины, счетно-аналитическая техника и многие другие приборы были нацелены на решение тех же задач, которые в полном объеме стали реализовываться в компьютерах.

Кроме числовой информации, в поле зрения специалистов все время была и символьная информация, представители которой - хорошо известные всем тексты на естественном языке: от приключенческих повестей до отчетов о проделанной работе, справок из учреждений, писем и т. п. Для хранения и переработки такой информации также придумывали и создавали различные приспособления и устройства. Простейшим примером может служить стойка с ящиками, в которых хранятся карточки, несущие информацию. Такие каталоги - непременный атрибут библиотек. Но на карточках можно хранить в систематизированном виде и любую другую информацию, записанную на некотором естественном или специальном языке.

Стремление как-то механизировать, а затем и автоматизировать процедуры, связанные с поиском нужной информации в каталоге, привело к появлению приемов, вошедших в арсенал специальной науки - документалистики. Детищем документалистики стали ручные и автоматизированные информационно-поисковые системы.

Компьютер в одной системе объединил хранение и обработку как числовой, так и текстовой (символьной) информации. Именно поэтому его появление знаменовало начало новой науки.

Слово "информатика" в нашей стране прижилось не сразу. Сначала исследования, связанные с использованием информации в системах управления (а это казалось центральной проблемой использования информации), назвали кибернетикой, и этот термин стал у нас синонимом информатики. Но постепенно выяснилось, что кибернетика - вполне самостоятельное научное направление, составляющее лишь часть информатики. В англоязычных странах новую науку стали называть вычислительной наукой (Computer Science), а во франкоязычных странах появился термин "информатика" (Informatique). Именно из французского и был заимствован этот термин, который, начиная с середины 70-х гг. прочно вошел в обиход.

1. История развития информатики

Информатика – молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Генетически информатика связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.

До настоящего времени толкование термина “информатика” (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) еще не является установившимся и общепринятым. Обратимся к истории вопроса, восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.

После второй мировой войны возникла и начала бурно развиваться кибернетика как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных. Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием в 1948 г. американским математиком Норбертом Винером, ставшей знаменитой, книги “Кибернетика или управление и связь в животном и машине”. В этой работе были показаны пути создания общей теории управления и заложены основы методов рассмотрения проблем управления и связи для различных систем с единой точки зрения. Развиваясь одновременно с развитием электронно-вычислительных машин, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации. Под информацией в кибернетике понимается любая совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторой системой воспринимаются от окружающей среды (входная информация X), выдаются в окружающую среду (выходная информация У), а также хранятся в себе (внутренняя, внутрисистемная информация Z), рис. 1.

Развитие кибернетики в нашей стране встретило идеологические препятствия. Как писал академик А.И.Берг, “... в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин”. Достаточно сказать, что еще в философском словаре 1959 года издания кибернетика характеризовалась как “буржуазная лженаука”. Причиной этому послужили, с одной стороны, недооценка новой бурно развивающейся науки отдельными учеными “классического” направления, с другой – неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфантастических прогнозах о безграничных возможностях кибернетики, дискредитируя тем самым эту науку.

Рис. 1. Общая схема обмена информацией между системой и внешней средой

Дело к тому же осложнялось тем, что развитие отечественной кибернетики на протяжении многих лет сопровождалось серьезными трудностями в реализации крупных государственных проектов, например, создания автоматизированных систем управления (АСУ). Однако за это время удалось накопить значительный опыт создания информационных систем и систем управления технико-экономическими объектами. Требовалось выделить из кибернетики здоровее научное и техническое ядро и консолидировать силы для развития нового движения к давно уже стоящим глобальным целям.

Подойдем сейчас к этому вопросу с терминологической точки зрения. Вскоре вслед за появлением термина “кибернетика” в мировой науке стало использоваться англоязычное “Computer Science”, а чуть позже, на рубеже шестидесятых и семидесятых годов, французы ввели получивший сейчас широкое распространение термин “Informatique”. В русском языке раннее употребление термина “информатика” связано с узко-конкретной областью изучения структуры и общих свойств научной информации, передаваемой посредством научной литературы. Эта информационно-аналитическая деятельность, совершенно необходимая и сегодня в библиотечном деле, книгоиздании и т.д., уже давно не отражает современного понимания информатики. Как отмечал академик А.П. Ершов, в современных условиях термин информатика “вводится в русский язык в новом и куда более широком значении – как название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации. При таком толковании информатика оказывается более непосредственно связанной с философскими и общенаучными категориями, проясняется и ее место в кругу “традиционных” академических научных дисциплин”.

Попытку определить, что же такое современная информатика, сделал в 1978 г. Международный конгресс по информатике: “Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также комплекс промышленного, коммерческого, административного и социального воздействия”.

Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки, техники и производства, связанных с переработкой информации.

Информатику в узком смысле можно представить как состоящую из трех взаимосвязанных частей.

Информатика как отрасль народного хозяйства состоит из однородной совокупности предприятий разных форм хозяйствования, где занимаются производством компьютерной техники, программных продуктов и разработкой современной технологии переработки информации. Специфика и значение информатики как отрасли производства состоят в том, что от нее во многом зависит рост производительности труда в других отраслях народного хозяйства. В настоящее время около 50% всех рабочих мест в мире поддерживается средствами обработки информации.

Информатика как фундаментальная наука занимается разработкой методологии создания информационного обеспечения процессов управления любыми объектами на базе компьютерных информационных систем. В Европе можно выделить следующие основные научные направления в области информатики: разработка сетевой структуры, компьютерно-интегрированные производства, экономическая и медицинская информатика, информатика социального страхования и окружающей среды, профессиональные информационные системы.

Информатика как прикладная дисциплина занимается:

· изучением закономерностей в информационных процессах (накопление, переработка, распространение);

· созданием информационных моделей коммуникаций в различных областях человеческой деятельности;

Вам могут быть интересны следующие материалы

Счетчики газа

Система отопления

Водоснабжение

Система вентиляции

Радиаторы

Водопровод

© 2024 Про уют в доме. Счетчики газа. Система отопления. Водоснабжение. Система вентиляции