Информатика : технические средства информационных процессов

№ 450

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра инженерной кибернетики

М.С. Бесфамильный

Информатика

Технические средства 
информационных процессов

Учебное пособие

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2009

УДК 004 
 
Б53 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц. А.П. Смирнов 

Бесфамильный М.С. 
Б53  
Информатика: Технические средства информационных процессов: Учеб. пособие. – М.: Изд. Дом МИСиС, 2009. – 56 с. 
ISBN 978-5-87623-234-2 

В настоящем учебном пособии рассмотрены базовые понятия, лежащие в 
основе построения информационных процессов: информации, меры и единицы измерения количества информации, позиционные системы счисления, логические основы построения компьютеров. Рассмотрены также технические 
средства реализации информационных процессов: основные виды архитектуры компьютеров, состав и назначение основных элементов персонального 
компьютера. 
Содержание пособия соответствует разделам государственного образовательного стандарта к обязательному минимуму содержания основной образовательной программы курса «Информатика». 
Пособие предназначено для студентов I курса всех специальностей, а также 
для тех, кто интересуется информационными технологиями. 
УДК 004 

ISBN 978-5-87623-234-2 
                    © 
Государственный технологический 
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2009 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Предисловие..............................................................................................4 
1. Понятие информации.  Общая характеристика процессов  сбора, 
передачи, обработки  и накопления информации .................................5 
1.1. Информатика: предмет и основные задачи................................5 
1.2. Понятие информации, ее измерение. Количество, качество  
и формы представления информации................................................6 
1.3. Системы счисления ....................................................................10 
1.4. Сигналы. Кодирование и квантование информации...............12 
1.5. Логические основы построения компьютера...........................18 
2. Технические средства, обеспечивающие работу компьютера .......28 
2.1. История развития компьютеров.  Понятие и основные  
виды архитектуры компьютеров......................................................28 
2.2. Состав и назначение основных элементов персонального 
компьютера. Системный блок..........................................................37 
2.3. Запоминающие устройства: классификация, принципы 
работы, основные характеристики...................................................41 
2.4. Устройства ввода/вывода данных,  их разновидности  
и основные характеристики..............................................................44 
Библиографический список...................................................................52 
Приложение. Примерный перечень вопросов, предлагаемых  
на Интернет-экзамене по информатике, по рассмотренным  
в пособии разделам.................................................................................53 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Курс «Информатика» включает в себя шесть основных разделов: 
1. 
Общая характеристика информационных процессов; 
2. 
Технические средства реализации информационных процессов; 
3. 
Программные средства реализации информационных процессов; 
4. 
Модели решения вычислительных задач; 
5. 
Алгоритмизация и программирование; 
6. 
Глобальные и локальные компьютерные сети. 
Настоящее пособие охватывает первые два раздела. Остальные 
разделы рассмотрены в учебном пособии Г.И. Светозаровой и др. 
«Информатика: Информационные технологии». 
Подготовленные пособия дополняют и расширяют лекционный 
курс, в котором в связи с его ограниченным объемом не могут быть 
подробно освещены все аспекты информатики. 
Для контроля знаний по курсу проводятся тестирования по лекциям, тестирование и контрольные работы по лабораторным занятиям, 
зачеты и экзамен. Кроме этого, в конце обучения проводится Интернет-экзамен по всем разделам курса. 
Освоение материала лекционного курса, выполнение заданий в 
процессе обучения и изучение настоящего пособия и пособия, упомянутого выше, позволит успешно подготовиться к экзамену. В приложении приведен примерный перечень вопросов, предлагаемых на 
Интернет-экзамене по информатике по разделам, рассмотренным в 
настоящем пособии. 
Автор благодарен проф. Светозаровой Галине Ивановне, внимательно прочитавшей рукопись, за сделанные замечания, которые позволили улучшить настоящее пособие. 

1. ПОНЯТИЕ ИНФОРМАЦИИ.  
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЦЕССОВ  
СБОРА, ПЕРЕДАЧИ, ОБРАБОТКИ  
И НАКОПЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ 

1.1. Информатика: предмет и основные задачи 

Термин «Информатика» (от фр. Information – информация + automatique – автоматика) дословно означает «информационная автоматика». Широко распространен также англоязычный вариант этого 
термина Computer Science – компьютерная наука. 
Информатика – это наука, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы ее создания, 
хранения, поиска, передачи и преобразования с использованием компьютерных технологий. 
В информатике выделяют три неразрывно связанные части: 
• аппаратные средства; 
• программные средства и 
• алгоритмические средства. 
Аппаратные средства, или аппаратура компьютеров (hardware – 
буквально «твердое изделие» или «железо») – это совокупность технических средств, входящих в состав компьютера. 
Программные средства (software – буквально «мягкое изделие» 
или «программное обеспечение») – совокупность всех программ, используемых компьютерами, и область деятельности по их созданию 
и применению. 
Алгоритмические средства (brainware – буквально «интеллектуальное изделие», brain – интеллект) – совокупность всех алгоритмов, 
используемых в аппаратуре и программах. 
Информатика является базовой дисциплиной, она способствует 
формированию информационной культуры будущего специалиста. 
Образовательные стандарты по этой дисциплине предусматривают: 
• овладение компьютером на пользовательском уровне, 
• умение работать с наиболее распространенными операционными системами и прикладными программами, 
• изучение программных средств информационных технологий. 
Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами 
вычислительной техники. Целью систематизации является выделе

ние, внедрение и развитие передовых, наиболее эффективных технологий, автоматизация этапов работы с данными, а также методическое обеспечение новых исследований. 
Информатика – практическая наука. Ее основными направлениями являются: 
• разработка архитектуры вычислительных систем, 
• управление взаимодействием вычислительных систем, 
• программирование, 
• автоматизация, 
• стандартизация, 
• преобразование данных, 
• защита информации. 

1.2. Понятие информации, ее измерение. 
Количество, качество и формы представления 
информации 

Понятие информации 

Понятие «информация» занимает центральное место в информатике. 
Информация – это совокупность разнообразных данных, сведений, сообщений, знаний, умений и опыта, необходимых кому-либо. 
В широком смысле слова информация – это общенаучное понятие, 
включающее в себя обмен сведениями между людьми, обмен сигналами между живой и неживой природой, людьми и устройствами. 
Еще одно понятие, часто употребляемое в информатике, – это данные. 
Данные – это результаты наблюдений над объектами и явлениями, 
которые по каким-то причинам не используются, а только хранятся. 
Но как только данные начинают использоваться в каких-либо 
практических целях, они превращаются в информацию. 
Информационный процесс – процесс, в результате которого 
осуществляется прием, передача (обмен), преобразование и использование информации. 
Введем еще одно новое понятие – это «сообщение». 
Сообщение – форма представления каких-либо сведений в виде 
речи, текста, изображения, цифровых данных, графиков, таблиц и т.д. 
Часто информацию рассматривают как набор сообщений. 
Информационная технология – совокупность средств и методов 
обработки и передачи первичной информации для получения новой 
качественной информации о состоянии объекта, процесса или явления. 

Информационные ресурсы – это идеи человечества и указания по 
реализации этих идей. 
Система – любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как совокупность разнородных объектов, 
объединенных для достижения определенного результата. 
Информационная система – взаимосвязанная совокупность 
средств, методов и персонала, участвующих в обработке информации. 

Качественные характеристики информации 

Для качественной оценки информации используются следующие 
характеристики: 
• понятность, т.е. представление на языке, понятном всем участникам обмена; 
• достоверность, т.е. отражение истинного положения вещей; 
• полнота, т.е. достаточность для принятия правильного решения; 
• ценность, т.е. насколько она важна для принятия решения; 
• своевременность, т.е. получение ее в нужное время. 

Измерение информации 

При определении понятия количества информации существуют 
два подхода: вероятностный и объемный. 
При вероятностном подходе вводится величина, измеряющая неопределенность наступления некоторого события, называемая энтропией. 
Информацию, которую получает человек, можно считать мерой 
уменьшения неопределенности знаний. Рассмотрим вопрос определения количества информации на примере. 
Пусть имеется монета, которую мы бросаем на ровную поверхность. При бросании монеты может с равной вероятностью произойти одно из двух возможных событий: «орел» или «решка». Перед 
броском монеты существовала неопределенность наших знаний 
(возможны два события). После броска наступает полная определенность, так как монета находится в определенном положении, например, «орел». Это сообщение приводит к уменьшению неопределенности наших знаний в 2 раза, так как до броска было два равновероятных события, а после броска – только одно. 
Приведем формулу, связывающую между собой количество возможных событий с количеством информации: 

N = 2H, 

где H – количество информации; N – множество возможных исходов 
события. 

Если известно количество событий, то по этой формуле легко определить количество информации. Например, при игре в «крестикинолики» на поле 8х8 перед первым ходом существует 64 возможных 
события (64 различных равновероятных варианта расположения крестика). Приведем уравнение для этого примера: 

64 = 2H, 

откуда получаем H = 6. Следовательно, количество информации, получаемое вторым игроком после первого хода первого игрока, составляет 6 битов. 
При хранении и передаче информации набор символов знаковой 
системы (алфавит) можно рассматривать как различные возможные 
состояния (события). Тогда, если считать появление символов в сообщении равновероятным, то, используя вышеприведенную формулу, можно рассчитать, какое количество информации несет каждый 
символ. Так, если считать, что в русском алфавите 32 буквы (без буквы е) и появление любой буквы в сообщении равновероятно, то 

32 = 2H, 

откуда H = 5 битам. Каждый символ несет 5 битов информации. 
На самом деле появление букв русского алфавита в сообщении не 
равновероятно, поэтому для более точного подсчета количества информации следует воспользоваться формулой К. Шеннона: 

2
1

1
log

N

i
i
i

H
P
P
=

⎛
⎞
=
⎜
⎟
⎝
⎠
∑
, 

где H – количество информации; N – множество возможных исходов 
события; Pi – вероятность наступления i-го события. 

Для подсчета же общего количества информации в сообщении 
надо умножить количество информации, которое несет один символ, 
на общее количество символов в сообщении. 
При объемном подходе в качестве единицы измерения информации используется бит (от bit – binary digit –двоичная цифра).  

1 бит – это количество информации, необходимое для того, чтобы 
различать два равновероятных события. В компьютере бит является 
наименьшей возможной единицей измерения количества информации. 
Бит слишком мелкая единица измерения количества информации. 
На практике чаще применяют более крупную единицу измерения 
информации – байт, равный 8 битам. Кроме этого широко используют также еще более крупные единицы информации, представленные в табл. 1.1. 

Таблица 1.1 

Единицы информации 

Название единицы 
Определение через  
меньшую единицу 
Емкость в байтах 

1 Килобайт (Кбайт) 
1024 байт 
210 

1 Мегабайт (Мбайт) 
1024 Кбайт 
220 

1 Гигабайт (Гбайт) 
1024 Мбайт 
230 

1 Терабайт (Тбайт) 
1024 Гбайт 
240 

1 Петабайт (Пбайт) 
1024 Тбайт 
250 

Формы и способы представления информации 

Информация – отражение предметного или воображаемого мира с 
помощью знаков и сигналов. Она может существовать либо в непрерывной, либо в дискретной форме. 
Информация о чем-либо может быть представлена многими способами. В качестве носителей информации могут использоваться разнообразные физические величины такой же природы (для непрерывной 
информации – непрерывные физические величины, для дискретной – 
дискретные). 
Физический процесс является сигналом, если какая-либо присущая ему физическая величина несет в себе информацию. 
Чтобы представить дискретную информацию, надо перечислить 
(поименовать) все разнообразия, присущие объекту или явлению 
(цвета радуги, виды фигур и др.). 
Дискретная информация представляется: 
• числами (цифровая), 
• символами некоторого алфавита (символьная), 
• графическими схемами и чертежами (графическая). 
Дискретная информация может использоваться и для представления непрерывной. Удобной формой представления дискретной информации является символьная информация. 

Форма представления информации, отличная от общепринятой, 
естественной, формы называется кодом. 
Широко известны такие коды, как почтовые индексы, нотная запись музыки, телеграфный код Морзе, цифровая запись программ 
для компьютеров (программирование в кодах), помехозащищенные 
коды в системах передачи данных. 
В заключение отметим, что существуют нецифровые компьютеры – 
аналоговые. Они используются обычно для решения задач специального характера и массовому пользователю мало известны. Аналоговые компьютеры не нуждаются в дискретизации входной информации, так как ее внутреннее представление непрерывно. В этом случае 
все наоборот – если внешняя информация дискретна, то ее надо преобразовать в непрерывную информацию. 

1.3. Системы счисления 

Виды и основания систем счисления 

Система счисления – математическая модель или знаковая система, в которой числа записываются по определенным правилам с 
помощью цифр. Существуют непозиционные и позиционные системы счисления. 
В непозиционных системах счисления «вес» цифры (т.е. вклад, 
который она вносит в значение числа) не зависит от ее позиции в записи числа. Так, например, в римской системе счисления в числе 
ХХХ (= 30) «вес» цифры Х в любой позиции равен 10. 
В позиционных системах счисления «вес» каждой цифры изменяется в зависимости от ее положения (позиции) в последовательности 
цифр, изображающих число. Так, например, в десятичной системе 
счисления в числе 757 первая семерка означает 7 сотен, вторая семерка – 7 единиц. Сама же запись числа 757 означает сокращенную 
запись суммы: 
700 + 50 + 7 = 7 · 102 + 5 · 101 + 7 · 100 = 757. 
Любая позиционная система счисления характеризуется основанием. 
Основание позиционной системы счисления – это число цифр, 
используемых для изображения чисел в данной системе счисления. 
Приняв за основание число 10, получим хорошо знакомую десятичную систему счисления. 

В компьютерах используют двоичную систему счисления для 
представления информации, потому что она имеет ряд преимуществ 
перед другими системами счисления: 
• для ее реализации нужны технические устройства с двумя устойчивыми состояниями, а не с десятью, как в десятичной системе 
счисления; 
• представление информации посредством только двух состояний надежно и помехоустойчиво; 
• двоичная арифметика намного проще десятичной арифметики; 
• возможно применение аппарата булевой алгебры для выполнения логических преобразований информации. 
В табл. 1.2 приведены некоторые характеристики позиционных 
систем счисления, используемых в информатике. 

Таблица 1.2 

Позиционные системы счисления 

Основание 
Система счисления 
Используемые цифры 
(алфавит) 

2 
Двоичная 
0, 1 

3 
Троичная 
0, 1, 2 

………….. 
………….. 
…………. 

8 
Восьмеричная 
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 

10 
Десятичная 
0, 1, 2, 3. 4, 5, 6, 7, 8, 9 

16 
Шестнадцатеричная 
0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 
A, B, C, D, E, F 

Приведем пример записи числа 13 в двоичной системе счисления: 
11012 = 1 · 23 + 1 · 22 + 0 · 21 + 1 · 20 = 1310. 

Алгоритм перевода числа из десятичной 
системы счисления в систему с основанием В 

При переводе целой части числа необходимо ее разделить на В, остаток даст младший разряд числа. Полученное при этом частное надо 
снова разделить на В – остаток даст следующий разряд числа и т.д. 
Для перевода дробной части числа ее надо умножить на В. Целая 
часть полученного произведения будет первым (после запятой, отделяющей целую часть от дробной) знаком. Дробную же часть произведения надо вновь умножить на В. Целая часть полученного числа 
будет следующим знаком и т.д. 
Например, переведем число 25 из десятичной системы счисления 
в двоичную: