1.1. Основные понятия об информации и информатике

Существует несколько определений понятия «информация». Приведем одно из них.

Информация – это совокупность каких-либо сведений, данных, передаваемых устно (в форме речи), письменно (в виде текста, таблиц, рисунков, чертежей, схем, условных обозначений) либо другим способом (например, с помощью звуковых или световых сигналов, электрических и нервных импульсов, перепадов давления или температуры и т. д.).

В середине XX века термин «информация» стал общенаучным понятием, включающим обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом (электронной вычислительной машиной – ЭВМ), автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире, передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму.

Теоретические и практические вопросы, относящиеся к информации, изучает информатика.

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.

Еще одно определение информатики.

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

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.

Колоссальный объем информации передается по глобальной сети Интернет, которая связывает страны, расположенные на разных континентах.

Согласно отчету Computer Almanac Industry Inc., в 1998 г. во всем мире свыше 147 млн человек имели доступ к Интернету, по сравнению с 61 млн. в 1996 г. В отчете названы 15 наиболее «сетевых» стран мира.

Список возглавили США, где насчитывается 76,5 млн пользователей, затем следовали Япония и Великобритания с 9,75 млн и 8,1 млн пользователей соответственно. В десятке «сильнейших» оказались Германия – 7,14 млн пользователей, Канада – 6,49 млн, Австралия – 4,36 млн, Франция – 2,79 млн, Швеция – 2,58 млн, Италия 2,14 млн и Испания – 1,98 млн.

Оставшиеся пять стран в списке пятнадцати были: Нидерланды – 1,96 млн пользователей Интернетом, Тайвань – 1,65 млн., Китай – 1,58 млн., Финляндия – 1,57 млн и Норвегия – 1,34 млн. Взятые вместе, эти 15 стран составляют 89% мирового «населения» Интернета.

Таким образом, в настоящее время накоплен большой объем информации, обработать который вручную людям невозможно (в силу своих психофизических особенностей).

Эффективным инструментом обработки большого объема информации является электронная вычислительная машина (ЭВМ).

Одним из основных факторов ускорения научно-технического прогресса является широкое использование новых информационных технологий, под которыми понимается совокупность методов и средств сбора, обработки и передачи данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления на базе вычислительной и коммуникационной техники и широкого применения математических методов.

Различают две формы представления информации – непрерывную (аналоговую) и прерывистую (цифровую, дискретную). Непрерывная форма характеризует процесс, который не имеет перерывов и теоретически может изменяться в любой момент времени и на любую величину (например, речь человека, музыкальное произведение). Цифровой сигнал может изменяться лишь в определенные моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения (например, только значения напряжений 0 и 3,5 В). Моменты возможного изменения уровня цифрового сигнала задает тактовый генератор конкретного цифрового устройства.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал требуется провести дискретизацию непрерывного сигнала во времени, квантование по уровню, а затем кодирование отобранных значений.

Дискретизация – замена непрерывного (аналогового) сигнала последовательностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наиболее распространена равномерная дискретизация, в основе которой лежит теорема Котельникова.

На рисунке схематично показан процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в данном случае может принимать лишь пять различных уровней. Естественно, что качество такого преобразования невысокое. Из рисунка видно, что изменение цифрового сигнала возможно лишь в некоторые моменты времени (в данном случае этих моментов одиннадцать).

После такого преобразования непрерывный сигнал представляют последовательностью чисел. Показанный на рисунке непрерывный сигнал заменяется числами 2-3-4-4-4-3-2-2-3-4-4. Затем перечисленные десятичные числа преобразуют (кодируют) в последовательность единиц и нулей. Результаты данного преобразования можно представить таблицей:

В данном случае цифровые сигналы представлены четырьмя разрядами двоичных чисел. Очевидно, что, чем больше разрядов у двоичных чисел (а значит, тем больше число уровней квантования) и чем чаще во времени осуществляются отсчеты (выборки), тем точнее будет преобразован непрерывный сигнал в цифровой.

Первое представление об аналоговом и цифровом способах хранения и распространения информации можно получить, рассматривая два способа записи звуковых сигналов: аналоговую и цифровую аудиозаписи.

При аналоговой аудиозаписи непрерывный электрический сигнал, формируемый источником звука на выходе микрофона, с помощью магнитной головки наносится на движущуюся магнитную ленту. Недостатком аналогового способа обработки информации является то, что копия бывает всегда хуже оригинала.

При цифровой аудиозаписи используется процесс выборки, заключающийся в периодическом измерении уровня (громкости) аналогового звукового сигнала (например, поступающего с выхода микрофона) и превращении полученного значения в последовательность двоичных чисел. Для преобразования аналогового сигнала в цифровой используется специальный конвертор, называемый аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Сигнал на выходе АЦП представляет собой последовательность двоичных чисел, которая может быть записана на лазерный диск или обработана компьютером. Обратная конверсия цифрового сигнала в непрерывный сигнал осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

Качество аналогово-цифрового преобразования характеризует параметр, называемый разрешением. Разрешение – это количество уровней квантования, используемых для замены непрерывного аналогового сигнала цифровым сигналом. Восьмиразрядная выборка позволяет получить только 256 различных уровней квантования цифрового сигнала, а шестнадцатиразрядная выборка – 65 536 уровней.

Еще один показатель качества трансформации непрерывного сигнала в цифровой сигнал – это частота дискретизации – количество преобразований аналог-цифра (выборок), производимое устройством в одну секунду.

Этот показатель измеряют килогерцами (килогерц – тысяча выборок в секунду). Типичное значение частоты дискретизации современных лазерных аудиодисков – 44,1 кГц.

На рисунке слева показана структура лазерного аудиодиска. Все звуки преобразованы в последовательность единичек и нулей, которые на диске выглядят как выступы и впадины. При этом копию можно получить практически такого же качества, как и оригинал.

Имеется тенденция перехода к единому цифровому представлению всех видов информации. Глобальная сеть Интернет претендует на то, чтобы объединить все средства вещания и коммуникации, компьютерные, телефонные, радио- и видеосети, связав их в единое «киберпространство».

С позиции каждого отдельного человека количество информации, содержащееся в каком-либо сообщении, – субъективная величина.

Объективная количественная мера информации может быть введена на основе вероятностной трактовки информационного обмена.

Этот способ измерения количества информации впервые предложил в 1948 г. К. Шеннон. По К. Шеннону, информация – это сведения, уменьшающие неопределенность (энтропию), существовавшую до их получения.

Наименьшей единицей информации является бит (от англ. binary digit – двоичный разряд). Сообщение о том, что произошло одно из двух возможных событий, дает получателю один бит информации.

Один бит информации получает человек, когда он узнает опаздывает с прибытием нужный ему поезд или нет, был ночью мороз или нет, присутствует на лекции студент Иванов или нет и т. д.

Более крупная единица информации – байт – равна 8 бит. Проверка присутствия или отсутствия на лекции 24 студентов дает лектору три байта информации. Еще более крупная единица информации – 1 Кбайт – равна 1024 байтам. Далее – 1 Мбайт равен 1024 Кбайтам, 1 Гбайт равен 1024 Мбайтам, а 1 Тбайт равен 1024 Гбайтам.

Перечисленные единицы измерения информации произносятся так: Кбайт – килобайт, Мбайт – мегабайт, Гбайт – гигабайт, Тбайт – терабайт.