1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

                Процессы получения, передачи, обработки и хранения являются общими для вещества, энергии и информации. Они называются информационными процессами

                Информационные процессы характерны для живой природы, человека, общества, техники.

Является ли информационным процессом выплавка стали? (Нет)

                Таким образом, понятие информации – базовое понятие. Поэтому дать точное определение информации невозможно. Содержание основных базовых понятий в каждой науке должно быть пояснено на примерах или выявлено путём его сопоставления с содержанием других понятий. Понятие информации используется в различных науках: информатике, биологии, социологии, кибернетике. В каждой науке понятие "информация” связано с различными системами понятий.

                Понятие информации в биологии связано с понятиями "ген”, "наследственность” и "поведение”.

                Понятие информации в кибернетике связано с понятиями "управление”, "прямая связь”, "обратная связь”.

                Понятие информации в обществе связано с понятиями "сведения”, "сообщения” "осведомлённость о положении дел”.

                Информация с точки зрения науки – это знания.

                С информацией можно производить следующие действия:             

• обмен (передача и получение);
• хранение;
• обработка.

                Обмен информацией может происходить в образной (образное восприятие при непосредственном контакте человека с окружающим миром с помощью зрения, слуха, обоняния, осязания и вкуса и знаковой( знаковая система представления информации - это язык) формах. Языки бывают разговорными( русский, немецкий, и т.д.), причем в устной форме( фонетика) и в письменной( грамматика) и формальные( в математике - язык формул, в музыке - язык нот, в медицине - латынь).

                Хранение информации происходит или в памяти человека, или на внешних носителях. В памяти человека информация может храниться как в образной форме ( я помню, как пахнет роза), так и в знаковой ( словесной, формульной). Информацию, хранимую в памяти, называют оперативной. Информацию, хранимую на внешних носителях( листе бумаги, диске, пластинке и т.д.), называют внешней. Она может быть переведена в разряд оперативной, если будет "прочитана" человеком.

                Таким образом, внешние носители выполняют роль "дополнительной” памяти человека. На них могут храниться звук, тексты, изображения.

                Обработка информации производится человеком или в уме, или с помощью каких-либо вспомогательных средств (счеты, калькулятор, компьютер и др.). В результате обработки получается новая информация, которая каким-то образом сохраняется ( запоминается, записывается). Обработка информации производится по каким-то определенным правилам (алгоритмам). Сами эти правила могут также подвергаться обработке (дополняться, исправляться, уточняться).

2.СТРУКТУРА ИНФОРМАЦИОННОГО ПРОЦЕССА

                При переносе информации в виде сигнала от источника к потребителю

она проходит последовательно следующие фазы (говорят – фазы обращения), составляющие информационный процесс:

                Восприятие (если фаза реализуется технической системой) или сбор (если фаза реализуется человеком) – осуществляет отображение источника информации в сигнал. Здесь определяются качественные и количественные характеристики источника, существенные для решения задач потребителя информации, для чего и собирается или воспринимается информация. Совокупность этих характеристик создает образ источника, который фиксируется в виде сигнала на носителе той или иной природы (бумажном, электронном и т.п.).

                Передача – перенос информации в виде сигнала в пространстве посредством физических сред любой природы. Включается в информационный процесс, если места выполнения других фаз информационного процесса территориально разобщены.

                Обработка – любое преобразование информации с целью решения определенных функциональных задач (они определяются потребителем информации). Данная фаза может включать хранение информации как перенос ее во времени.

                Представление (если потребителем информации является человек) или воздействие (если потребителем является техническая система). В первом случае выполняется подготовка информации к виду, удобному для потребителя (графики, тексты, диаграммы, таблицы и т.д.). Во втором случае вырабатываются управляющие воздействия на технические средства. Этот случай характерен для выпускников специальности "Автоматизация управления технологическими процессами", а потому здесь не рассматривается

          Прямоугольниками изображены процедуры (фазы), другие фигуры обозначают объекты. Пунктирные прямоугольники показывают, что эти фазы могут отсутствовать.

                Как видно из рисунка, каждая фаза в общем случае преобразует (или отображает) входной сигнал в выходной. Например, при обработке сигнал S3 преобразуется в сигнал S4. Это делается для удобства проведения следующей процедуры или, в последнем случае, для удобства потребителя.

                Пример 1. Рассмотрим информационный процесс, имеющий место при приеме в ВУЗ абитуриентов, к числу которых в недавнем времени относился и наш читатель (при этом отметим, что подобный информационный процесс, когда решается некоторая задача преобразования информации из конкретной предметной области, называется предметным). Названные на рисунке элементы представлены ниже:

• источник информации – абитуриент, сведения о знаниях и других достоинствах которого являются основанием для зачисления в ВУЗ. Сигнал S1 – это документы (например, аттестат о среднем образовании), которые сдаются в приемную комиссию;
• сбор информации выполняется работниками приемной комиссии, куда стекаются сведения о прошлых успехах абитуриента и результатах вступительных испытаний. Очевидны качественные и количественные характеристики источника-абитуриента: это баллы в аттестате, различные квалификации, которые он приобрел в результате обучения на дополнительных курсах и факультативах, медицинские справки и т.д. При этом собираемые данные регистрируются, например, записываются в сводные ведомости, где по каждому студенту фиксируются  данные о нем. Формируется сигнал S2 (в этом случае он носит бумажный характер). Возможно также использование технических систем для регистрации собранных данных. Если приемная комиссия снабжена компьютерной техникой, сигнал S2 носит электронный характер. В любом случае, как правило, применяется фиксация информации на бумажном носителе;
• передача информации. В простейшем случае это передача данных курьером (работником приемной комиссии) тому лицу, который занимается их обработкой. При этом, очевидно, никаких изменений с данными не происходит (если только курьер их не потеряет), т.е. сигналы S2 и S3 равны. Если возможно использование технических систем для передачи информации, этот процесс механизирован или автоматизирован (в случае применения ЭВМ). При автоматизации передачи возможно несовпадение сигналов S2 и S3 по их синтаксическим характеристикам, что связано с особенностями этой процедуры и подробнее рассматривается далее;
• обработка сводится к упорядочению списка абитуриентов в зависимости от качественных и количественных параметров (они назывались выше). Тогда   самые достойные на зачисление оказываются в начале списка и первыми включаются затем в приказ. Эту работу выполняют в приемной комиссии (такая задача в несколько упрощенном виде использована ранее). Тогда сигнал S4 – это упорядоченный список абитуриентов, разбитый на группы по специальностям. Очевидно, эта фаза может выполняться вручную, но именно для подобных задач используются средства вычислительной техники, и в первую очередь - компьютеры;
• передача упорядоченного списка абитуриентов в деканат, занимающийся формированием учебных групп по каждой специальности, аналогично первой процедуре передачи может выполняться как человеком, так и техническими системами. Как отмечалось выше, в первом случае сигналы S4 и S5 могут совпадать, во втором - могут различаться;
• представление списков абитуриентов, разбитых на группы, выполняется деканатами. Сигнал S6 имеет вид таблиц, включающих фамилии и инициалы абитуриентов. Каждая из таблиц соотнесена с той или иной учебной группой;
• потребитель информации – ректор ВУЗа, который  готовит и визирует приказ о зачислении в ВУЗ.

Пример 2. Сформируем схему обращения информации при сдаче студентами сессии:

                Сигнал S1 - это ответы студентов на экзаменах, которые анализируются преподавателем и оцениваются, как правило, по пятибалльной системе (фаза Сбор). В результате формируется ведомость сдачи экзамена (сигнал S2), которая секретарем кафедры (или самим преподавателем) передается в деканат того факультета, к которому "приписаны" студенты (фаза Передача). Очевидно, если по дороге не случается фальсификации, сигналы S2 и S3 совпадают. В деканате ведомость попадает методисту, который выполняет ее обработку - заполняет специальный журнал успеваемости, где собираются данные об успеваемости каждого студента за все время обучения в Вузе (фаза Обработка). Можно сказать, что сам журнал (сигнал S4)выполняет функцию хранения информации (на рисунке эта фаза не показана). По окончании срока сессии методист готовит для декана справку о результатах сессии по всем учебным группам студентов: списки неуспевающих, списки студентов, претендующих на стипендию, списки тех, кто может получать повышенную (именную) стипендию и т.д. (фаза Представление). Эта справка и есть сигнал S6, который поступает декану для решения типичных для деканата задач: отчисление студентов, перевод на следующий курс или на другую специальность (другое учебное заведение), восстановление и т.п. Следует отметить, что некоторые фазы, в свою очередь, могут рассматриваться как совокупность последовательных операций, среди которых можно выделить операции, аналогичные рассмотренным фазам. Например, в фазе Обработка, как будет показано далее, имеет место сбор информации. Это говорит о том, что детализация информационных процессов определяется уровнем их рассмотрения с целью последующей автоматизации, т.е. решения соответствующих задач с помощью компьютера.

                Для реализации большинства рассмотренных выше процедур, составляющих информационный процесс, используется компьютер. Однако и сам компьютер можно рассматривать как устройство переноса информации от источника к потребителю. Такая постановка вопроса позволяет лучше понять происходящие внутри компьютера информационные процессы, направленные на решение поставленных перед ним задач; она рассматривается далее.

3. ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ

                Эта фаза в современной информатике выполняется компьютером и часто включает хранение данных с использованием внешней памяти.               Вследствие принципа программного управления обработка информации осуществляется в соответствии с программой, предварительно размещенной в памяти компьютера.

                Рассмотрим процесс обработки информации на примере программы:

var CHISLO: integer;

input (CHISLO);

CHISLO:=CHISLO+1;                                                                        

write (CHISLO);        .

                Пусть для этого исходного модуля сформирован загрузочный модуль, выполненный в условных машинных командах и размещенный в ОЗУ:

                Пусть начальным значением переменной CHISLO, вводимым с клавиатуры, является целое число 20. Тогда содержимое адресов и регистров, участвующих в обработке в соответствии с указанной  программой, приведено в таблице (при этом учитывались структура и принципы функционирования УУ и АЛУ, рассмотренные ранее):

                Будучи одной из фаз предметного информационного процесса, обработка информации компьютером, в свою очередь, сама является информационным процессом, в реализации которого принимают участие структурные элементы компьютера:

§     источником информации является программист, если выполняется отладка программы, или пользователь, если программа эксплуатируется. В качестве сигнала S1 выступают входные данные, например, значения переменной CHISLO. Носитель информации произволен;

§     восприятие сигнала S1 инициируется при выполнении команды, соответствующей оператору input (CHISLO). Введенная с клавиатуры информация размещается в промежуточной буферной памяти УВв. Носитель сигнала S2 носит электронный характер;

§     передача – введенная информация передается из буферной памяти по адресу основной памяти, указанному в загрузочном модуле для размещения соответствующей переменной. Например, для переменной CHISLO отведена область памяти размером 2 байта по адресу 0002:0008. Сигнал S3 носит электронный характер;

§     обработка – выполняется процессором и заключается в выполнении оператора присваивания из  приведенной программы. Этому оператору соответствует код, по которому выполняются следующие действия:

§     в регистр АХ помещается 1;

§     в регистр СХ помещаются данные, расположенные по адресу 0002:0008, – это введенное при восприятии значение переменной CHISLO;

§     содержимое регистров АХ и СХ складывается, результат помещается в регистр АХ;

§     содержимое регистра АХ помещается по адресу 0002:0008, т.е. присваивается переменной CHISLO. При этом отведенная под переменную память может быть недостаточна для размещения результата, если, например, введенное значение было слишком большим. Тогда возникает ситуация переполнения. Таким образом, семантика сигнала S4 различается в зависимости от результатов вычислений:

§     если вычисления корректны, то это значение переменной CHISLO, которое размещено по адресу 0002:0008, а потому носит электронный характер;

§     если вычисления некорректны, тогда сигнал S4 – это диагностические сообщения о недостатке памяти для переменной. Также носит электронный характер;

§     хранение – не выполняется, поскольку в программе отсутствуют команды по привлечению внешней памяти;

§     передача – это перенос сигнала S4  от основной памяти компьютера к промежуточной буферной памяти УВыв, в роли которого выступает для нашей программы монитор. Инициируется оператором write (CHISLO), если обработка прошла корректно, или средствами ОС при наличии ошибки в программе. В любом случае выполняется средствами ОС и каналами сопряжения УВыв и других устройств компьютера. Сигналы S4  и S5 в таком случае тождественны по синтаксису и носителю, а различаются лишь местом нахождения;

§     представление заключается в преобразовании сигнала S5 к виду, понятному и удобному потребителю. Выполняется УВыв, в роли которого в данном случае выступает монитор; тогда сигнал S6 – электронный;

Потребителем информации является:

программист - в случае отладки. В роли сигнала S6 выступают:

1. диагностические сообщения о наличии  ошибок в тексте программы, если обнаружены ошибки. Назначение программиста в этом случае – исправить исходный текст программы и заново отладить программу;
2. результирующие данные;
3. конечный пользователь – в случае эксплуатации программного продукта. Сигнал S6 - это результирующие данные.

4. ХРАНЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ

                Хранение информации (данных) не является самостоятельной фазой в информационном процессе, а входит в состав фазы обработки. Однако, в силу важности организации хранения, данный материал вынесен в отдельный раздел.

                Различают структурированные данные, в которых отражаются отдельные факты предметной области (это основная форма представления данных в СУБД), и неструктурированные, произвольные по форме, включающие и тексты, и графику, и прочие данные. Эта форма представления данных широко используется, например, в Интернет-технологиях, а сами данные предоставляются пользователю в виде отклика поисковыми системами.

                Организация того или иного вида хранения данных (структурированных или неструктурированных) связана с обеспечением доступа к самим данным. Под доступом понимается возможность выделения элемента данных (или множества элементов) среди других элементов по каким-либо признакам с целью выполнения некоторых действий над элементом. При этом под элементом понимается как запись файла (в случае структурированных данных), так и сам файл (в случае неструктурированных данных).

                Для данных любого вида доступ осуществляется с помощью специальных данных, которые называются ключевыми (ключами). Для структурированных данных такие ключи входят в состав записей файлов в качестве отдельных полей записей. Для неструктурированных поисковые слова или выражения входят, как правило, в искомый текст. С помощью ключей выполняется идентификация требуемых элементов в информационном массиве (массиве хранения данных).

                Дальнейшее изложение фазы хранения информации относится к структурированным данным.

                Модели структурированных данных и технологии их обработки основаны на одном из трех способов организации хранения данных: в виде линейного списка (или табличном), иерархическом (или древовидном), сетевом.

Линейный список (далее – список) – это множество элементов хранения (далее – элементов) с заданным отношением строгого порядка, определяющим следование элементов в множестве. Требование строгого порядка вызвано тем, что с каждым элементом линейного списка при хранении связан конкретный физический адрес. Примером линейного списка может быть состав студентов учебной группы или расписание экзаменов во время сессии. В зависимости от места нахождения списка (внутренняя или внешняя память компьютера) он может быть организован как одномерный массив (в первом случае) или как файл (во втором случае). Тогда элементом списка может быть элемент массива или запись файла.

                Элемент списка может иметь структуру. В таком случае он состоит из отдельных полей (это составляющие элемента). Например, элемент списка, соответствующего составу учебной группы, может состоять из следующих полей: фамилия, имя, отчество студента, номер зачетной книжки, домашний адрес:                                                       

                Иерархическая структура — многоуровневая форма организации объектов со строгой соотнесенностью объектов нижнего уровня определенному объекту верхнего уровня. «У подчиненного может быть только один руководитель». Графически представляется в виде дерева.

                Сеть (или сетевая структура) – это два множества Т и R, между которыми задано отображение Г: Т → R, где Т – множество элементов сети, R – множество бинарных отношений между ними, Г – отображение, показывающее, какие элементы какими отношениями связаны.

5. ОПЕРАЦИИ НАД ДАННЫМИ

                Процедура доступа к данным может быть инициирована как самим компьютером (для решения каких-либо своих технических задач), так и конечным пользователем. В последнем случае пользователь формирует запрос, куда включает, в частности, обозначение требуемого вида доступа, или действия, и указание на то, над какими данными это действие надо выполнить. Как отмечалось ранее, идентификация данных осуществляется с помощью ключей. В качестве же требуемого действия может быть одно из следующих: добавление, удаление, изменение,  просмотр элемента или обработка данных из элемента.

                При добавлении элемента информационный массив пополняется новыми данными в виде записи файла или файла в целом, соответственно, для структурированных и неструктурированных данных. В запросе в этом случае, помимо указанной выше информации, приводится и сам новый элемент. При этом объем информационного массива увеличивается;

                Удаление, наоборот, является обратным действием, вызывающим исключение упомянутых данных. Это действие приводит к уменьшению объема информационного массива;

                Изменение относится не к элементу, а к его составляющим – полям записи файла или тексту, хранящемуся в файле, и означает, в свою очередь,  удаление прежних значений полей или строк текста и/или добавление новых. В запрос включается дополнительная информация, указывающая на требуемые составляющие изменяемого элемента, а также сами новые значения этих составляющих. Объем информационного массива при этом не меняется для структурированных данных и, возможно, меняется для неструктурированных;

                Просмотр связан с предоставлением данных пользователю на устройстве вывода компьютера, как правило, на дисплее. В запросе в этом случае дополнительно указывается, какие составляющие элемента требуется просмотреть (по умолчанию просматривается весь элемент);

                Обработка предусматривает выполнение некоторых арифметических операций над данными элемента, например, накопление суммы и т.д., и относится только к структурированным данным, а потому далее не рассматривается. 

Таким образом, запрос q в общем случае имеет структуру:

q = (<действие>, <ключ> [{,<указание на составляющую элемента>[=<значение составляющей элемента>]}] ), где скобки <> означают, что они и их содержимое в конкретных случаях заменяются некоторыми значениями; скобки [] свидетельствуют о возможном отсутствии их содержимого; скобки {} представляют возможное повторение их содержимого.

                Тогда для указанных ранее действий можно определить следующие структуры запросов:

• добавление = (<ключ> {,<указание на составляющую элемента> = <значение составляющей элемента>}),
• удаление = (<ключ>),
• изменение = (<ключ> {,<указание на составляющую элемента> = <значение составляющей элемента>}),
• просмотр = (<ключ> [{,<указание на составляющую элемента>}]).

                Чтобы выполнить любое их указанных выше действий, нужный элемент должен быть предварительно найден в информационном массиве, для чего выполняется его поиск (для добавления нового элемента тоже делается попытка его поиска, которая заканчивается неудачно, и тогда элемент добавляется). Под поиском элемента понимается определение его местонахождения в информационном массиве. Таким образом, любой доступ включает поиск, что делает эту фазу доступа наиболее значимой.

                Различие в схемах состоит в том, что по технологии рисунков 1 и 2 выполняется воздействие на информационный массив с целью его изменения, для чего в него передаются данные, по технологии рисунка 3 воздействие не связано с передачей данных, а по схеме рисунка 4 данные выводятся из информационного массива без его изменения.

                При выполнении рассмотренных действий над элементами информационного массива на практике важны два фактора, противоречащие друг другу: временной фактор, в соответствии с которым запрос пользователя должен обрабатываться в минимальные сроки, и фактор минимизации требуемого объема памяти для хранения данных. Для уменьшения времени обработки запроса особые усилия прилагаются к применению таких структур хранения данных, которые бы позволяли оптимизировать поисковые операции, возможно, за счет дополнительных описаний данных. Это, очевидно, повышает расход памяти. Поэтому при проектировании  моделей данных учитывается предполагаемый режим эксплуатации информационного массива: если это интерактивный режим, то основное внимание уделяется минимизации времени доступа к данным, если режим пакетный, то минимизируют требуемую память. Кроме того, на выбор модели влияют особенности той предметной области, которая отражается в структурах хранения.

                В силу вышесказанного, основное внимание в данном разделе уделено задачам организации хранения данных разных видов и поиска по ключам, входящим в запросы пользователей, поскольку поисковые операции и определяют, в основном, продолжительность различных действий над информационный массивом. Из  приведенных типов действий в рассмотрение включены добавление и просмотр элемента данных, поскольку добавление связано с воздействием на информационный массив и изменением его объема (напомним, что удаление является обратным действием по отношению к добавлению), а просмотр является наиболее часто выполняемым действием на практике. При этом рассматриваются общие вопросы работы с текстовой и структурированной информацией, методы и модели, используемые при организации хранения, поиска и добавления данных.

                Излагаемые модели данных и алгоритмы доступа к ним составляют "brainware” современной информатики, носят универсальный характер и применяются в большинстве систем, связанных с хранением и обработкой информационных массивов.

6. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ В КОМПЬЮТЕРЕ

                Для представления информации потребителю используются устройства вывода, называемые периферийными устройствами (или периферией), которые в зависимости от вида сигнала-носителя информации делятся на устройства вывода на бумажный носитель и устройства вывода на электронный носитель.

                Когда человек воспринимает информацию с помощью органов чувств, то стремится зафиксировать ее в такой форме, чтобы она была понятна другим людям, например, записать ее. Для этого применяются специальные символы. Например, для представления текстовой информации используют буквы какого-либо языка (русского, английского, немецкого и т.д.). Не всегда эти буквы относятся к естественному языку. Для представления текстовой информации также можно использовать искусственные языки, например, эсперанто. При обработке информации человек дает инструкции компьютеру на искусственном языке – языке программирования. музыка звучит с помощью нот, числа записывают с помощью цифр. Все это примеры кодирования информации.

                Кодирование – процесс представления данных последовательностью символов.

                Имеются и такие системы знаков, для которых нет какого-то общепринятого порядка, то есть, нет алфавита. К таким системам, например, относятся азбука Брайля (для слепых), язык жестов, язык цветов, знаки генетического кода и т.д.

                В отличие от человека, компьютер может обрабатывать информацию, представленную только в цифровой форме в виде последовательности цифр. Причем «компьютерный алфавит» состоит только из двух символов 0 и 1. Это связано с тем, что устройства, которые могут принимать только два устойчивых состояния: намагничено (1) – не намагничено (0), высокое напряжение (1) – низкое напряжение (0) и т.д., являются самыми надежными и дешевыми. В современной электронике развитие аппаратной базы компьютеров идет именно в этом направлении. Поэтому предварительно вся информация, представленная в компьютере, и текстовая, и графическая, и звуковая должна пройти оцифровку.

                Оцифровка – приведение чего-либо к числовому виду или кодирование чего-либо с помощью чисел.