Лекции по "Информатике"

1 Общие теоретические основы информатики. 2

1.1 Информатика. Предмет информатики. 2

1.2 Обработка информации. 2

1.3 Представление информации. 2

1.3.1 Кодирование текстовой информации. 2

1.3.2 Кодирование графической информации. 3

1.3.3 Кодирование видео данных. 3

1.3.4 Кодирование звуковых данных. 4

1.3.5 Хранение гипертекстовой информации. 5

2 Архитектура современного компьютера: 7

2.1 Архитектура современного компьютера: 7

2.1.1 Характеристики процессоров 8

2.1.2 Характеристики памяти 9

2.1.3 Характеристики чипсета 10

2.1.4 Характеристики видеокарт 10

2.1.5 Характеристики HDD. 10

2.1.6 Накопители на внешних носителях. 10

2.2 Интерфейсы 11

2.2.1 Внутренние 11

2.2.2 Внешние 11

2.2.2.1 Для подключения периферийных устройств. 11

2.2.2.2 Видеоинтерфейсы: 12

2.2.2.3 Сетевые интерфейсы: 12

3 Сетевые технологии 13

3.1 Классификация сетей : 13

3.1.1 По размеру охваченной территории: 13

3.1.2 По типу функционального взаимодействия 13

3.1.3 По типу сетевой топологи: 14

3.1.4 По сетевым ОС 14

3.2 Стек протоколов 14

Физический уровень 14

Канальный уровень 15

Сетевой уровень (англ. Network layer) 15

Транспортный уровень (англ. Transport layer) 16

Сеансовый уровень (англ. Session layer) 17

Представительский уровень (Уровень представления, (англ. Presentation layer) 18

Протокол прикладного уровня 18

4 Хранение файлов на носителях. 21

4.1 Файловая система. 21

4.1.1 Файловая система FAT16: 22

4.1.2 Файловая система FAT32: 23

4.1.3 Файловая система NTFS: 23

4.1.4 Файловая система exFAT: 24

4.2 Разделы дисков. 24

 

 

Лекция 1

1. Общие теоретические  основы информатики.

1. Информатика. Предмет информатики.

Информатика – наука о способах получения, накоплении, хранении, преобразовании, передаче и использовании информации

Информация – свойство системы, характеризующее её состояние. Информация субъективна, т.е., зависит от наблюдателя.

2. Обработка информации.

Обмен информацией происходит через обмен сигналами или  сообщениями. Сообщения или сигналы бывают аналоговыми и цифровыми.

Преимущества и недостатки цифрового и аналогового способа  обработки информации:

Аналоговый сигнал максимально  точен при измерении исходного  объекта, но склонен к искажению при передаче. При оцифровке же, наоборот, ВСЕГДА теряется точность, зато при передаче цифровой информации потери менее вероятны. Кроме того, существуют методы контроля и корректировки передаваемой цифровой информации.

3. Представление информации.

Количество информации. Бит. Байт. Кратные единицы: килобайт, Мегабайт, Гигабайт, Терабайт. Представление о двоичном кодировании информации. Преобразование чисел из одной системы счисления в другую. Другие системы счисления.

Кодирование числовой информации. Целые числа без знака и со знаком. Экспоненциальная форма чисел. Действительные числа с фиксированной и плавающей запятой.

1. Кодирование текстовой информации.

Стандарты кодирования:

ASCII (англ.American Standard Code for Information Interchange) – 7-битовая, а в компьютерах как-бы 8-битовая, но реально могут использоваться и символы> 127

Unicode – 16-ти и более битная.

UTF-8 – (от англ.Unicode Transformation Format – формат преобразования Юникода) – в настоящее время распространённая кодировка, реализующая представление Юникода, совместимое с 8-битным кодированием текста.

Текст, состоящий только из символов Юникода с номером меньше 128, при записи в UTF-8 превращается в  обычный текст ASCII. И, наоборот, в  тексте UTF-8 любой байт со значением  меньше 128 изображает символ ASCII с тем  же кодом. Остальные символы Юникода  изображаются последовательностями длиной от 2 до 6 байт (реально только до 4 байт, поскольку использование кодов  больше 2²¹ не планируется), в которых первый байт всегда имеет вид 11xxxxxx, а остальные – 10xxxxxx.

Кодировки (Windows-1251, КОИ8 (KOI8-R, KOI8-U…) – обе 8-ми битные).

Информационный объем  одного символа в тексте.

2. Кодирование графической информации.

Двумерная графика (2D):

• Векторная графика
• Растровая графика. Растр. Разрешение растра.
• Фрактальная графика

Трёхмерная графика (3D)

Представление цветов в компьютере

 

Цветовые схемы:

RGB

CMYK – (Cyan, Magenta, Yellow, Keycolor) – схема формирования цвета, используемая прежде всего в полиграфии для стандартной триадной печати. Схема CMYK, как правило, обладает сравнительно небольшим цветовым охватом.

Глубина цвета (объём памяти в количестве бит, используемых для  хранения и представления цвета при кодировании одного пикселя растровой графики или видео). Формула связи количества цветов изображения и глубины цвета.

Форматы файлов с изображениями:

BMP – абсолютно несжатый графический файл

GIF – сжатый без потерь качества (рассказать идею сжатия без потерь)

JPEG – сжатый с потерей качества (идея разложения в ряды Фурье)

TIFF – контейнер, в котором может храниться несжатая и сжатая (как с потерями, так и без потерь)

RAW – контейнер для хранения необработанной информации на выходе из матрицы в цифровых фотоаппаратах. (затем DSP фотоаппарата обрабатывает RAW-файл и может выдать JPG, Tiff или что-то ещё)

3. Кодирование видео данных.

Понятие кодека. Видеокодеки:

MPEG (англ. Moving Picture Experts Group – русск. Группа экспертов по движущемуся изображению)

• MPEG-1: Исходный стандарт видео и аудио компрессии. Позднее использовался, как стандарт для Video CD, и включает в себя Layer 2 формат аудио сжатия. (поддерживает только прогрессивную развёртку)
• MPEG-2: Транспортные, видео и аудио стандарты для широковещательного телевидения. MPEG-2 используется для "общего сжатия движущихся изображений и звука" и определяет формат видеопотока, который может быть представлен как три типа кадра – независимо сжатые кадры (I-кадры), кадры, сжатые с использованием предсказания движения в одном направлении (P-кадры) и кадры, сжатые с использованием предсказания движения в двух направлениях (B-кадры). Соответствующие группы кадров от одного I-кадра до другого образуют GOP – Group Of Pictures – группу кадров. 
  Обычно используются потоки в 30 или 29,97 кадров в секунду. 
  MPEG-2 поддерживает видео и в прогрессивной, и в чересстрочной развёртке. 
  Наибольшее распространение получил в DVD
• MPEG-4: Расширяет MPEG-1 для поддержки видео/аудио «объектов», 3D контента, сжатия с низким битрейтом и DRM. В него включено несколько новых высокоэффективных видео стандартов (альтернатив MPEG-2), особо отметим:  
  MPEG-4 включает в себя многие функции MPEG-1, MPEG-2 и других подобных стандартов, добавляя такие функции как поддержка языка виртуальной разметки VRML для показа 3D объектов, объектно-ориентированные файлы, поддержка управления правами и разные типы интерактивного медиа. AAC (Advanced Audio Codec — или Улучшенный Аудио Кодек) был стандартизован как дополнение к MPEG-2 (часть 3), был также расширен и включен в MPEG-4. 
  MPEG-4 всё ещё находится на стадии разработки и делится на несколько частей. Ключевыми частями стандарта MPEG-4 являются часть 2 (MPEG-4 часть 2, включая Advanced Simple Profile, используемый такими кодеками как DivX, Xvid, и 3ivx, а также Quicktime 6) и часть 10 (MPEG-4 part 10/MPEG-4 AVC/H.264 или Advanced Video Coding, используемый такими кодеками как x264, Nero Digital AVC, Quicktime 7, а также используемый в форматах DVD следующего поколения, таких как HD DVD и Blu-ray Disc). 
  MPEG-4 Part 2 (ASP) и MPEG-4 Part 10 (или AVC, или H.264). MPEG-4 Part 10 используется в HD DVD и Blu-Ray дисках.

4. Кодирование звуковых данных.

Понятие оцифровки данных. Битрейт. Медиа-контейнеры:

WAV – формат файла-контейнера для хранения записи оцифрованного аудиопотока. Под Windows этот формат чаще всего используется в качестве оболочки для несжатого звука (PCM), когда для каждого отсчёта амплитуды сигнала выделяется определённое число бит. Однако в контейнер WAV можно поместить звук, сжатый почти любым кодеком (но с воспроизведением таких файлов могут возникать проблемы).

mp3 – используется алгоритм сжатия с потерями. Принцип сжатия заключается в снижении точности некоторых частей звукового потока, что практически неразличимо для слуха большинства людей.

Битрейты:

CBR расшифровывается как Constant Bit Rate, то есть постоянный битрейт, который задаётся пользователем и не изменяется при кодировании произведения. Таким образом, каждой секунде произведения соответствует одинаковое количество закодированных бит данных (даже при кодировании тишины). CBR может быть полезен для потоков мультимедиа данных по ограниченному каналу; в таком случае кодирование использует все возможности канала данных. Для хранения данный режим кодирования не является оптимальным, так как он не может выделить достаточно места для сложных отрезков исходного произведения, при этом бесполезно тратя место на простых отрезках. Повышенные битрейты (выше 256 кбит/c) могут решить данную проблему, выделив больше места для данных, но зато и пропорционально увеличивая размер файла.

VBR расшифровывается как Variable Bit Rate, то есть изменяющийся битрейт или переменный битрейт, который динамически изменяется программой-кодером при кодировании в зависимости от насыщенности кодируемого аудиоматериала и установленного пользователем качества кодирования (например, тишина закодируется с минимальным битрейтом). Этот метод MP3-кодирования является самым прогрессивным и до сих пор развивается и улучшается, так как аудиоматериал разной насыщенности может быть закодирован с определённым качеством, которое обычно выше, чем при установке среднего значения в методе CBR. Плюс к тому, размер файла уменьшается за счёт фрагментов, не требующих высокого битрейта. Минусом данного метода кодирования является сложность предсказания размера выходного файла. Но этот недостаток VBR-кодирования незначителен в сравнении с его достоинствами. Также минусом является то, что VBR считает «незначительной» звуковой информацией более тихие фрагменты, таким образом, получается, что если слушать очень громко, то эти фрагменты будут некачественными, в то время как CBR делает с одинаковым битрейтом и тихие, и громкие фрагменты.

ABR расшифровывается как Average Bit Rate, то есть усредненный битрейт, который является гибридом VBR и CBR: битрейт в кбит/c задаётся пользователем, а программа варьирует его, постоянно подгоняя под заданный битрейт. Таким образом, кодер будет с осторожностью использовать максимально и минимально возможные значения битрейта, так как рискует не вписаться в заданный пользователем битрейт. Это является явным минусом данного метода, так как сказывается на качестве выходного файла, которое будет немного лучше, чем при использовании CBR, но намного хуже, чем при использовании VBR. С другой стороны, этот метод позволяет наиболее гибко задавать битрейт (может быть любым числом между 8 и 320, против исключительно кратных 16 чисел метода CBR) и вычислять размер выходного файла.

wma – лицензируемый формат файла, разработанный компанией Microsoft для хранения и трансляции аудиоинформации. Якобы WMA характеризуется хорошей способностью сжатия, что позволяет ему «обходить» формат MP3. Но на самом деле независимые тесты говорят о том, что его преимущество в качестве неоднозначно. Кроме того, он имеет низкую стойкость к ошибкам. Если при кодировании/передаче файла WMA некоторая часть его повреждается, то воспроизведение файла становится невозможным, как после места повреждения, так и за несколько десятков секунд до него. (Для сравнения: при повреждении файла формата MP3, его всё ещё можно воспроизвести от начала до самого места повреждения, затем пропустить несколько секунд и воспроизвести дальше до конца; иногда же ошибки в несколько байт в файле MP3 бывают на слух малозаметны или не заметны вообще.)

Advanced Audio Coding (AAC) – формат аудиофайла с меньшей потерей качества при кодировании, чем MP3 при одинаковых размерах

Как работает AAC:

1. Удаляются невоспринимаемые составляющие сигнала.
2. Удаляется избыточность в кодированном аудио сигнале.
3. Затем сигнал обрабатывается по методу MDCT (разложение в ряды Фурье) согласно его сложности.
4. Добавляются коды коррекции внутренних ошибок.
5. Сигнал сохраняется или передаётся.

Превосходства AAC над MP3

1. До 48 звуковых каналов;
2. Большая эффективность кодирования как при постоянном, так и при переменном битрейте;
3. Частоты дискретизации от 8 Гц до 96 кГц (MP3: 8 Гц — 48 кГц);
4. Более гибкий режим Joint stereo.

Объединённое стерео (Joint Stereo) –способ двухканального кодирования, при котором левый и правый каналы преобразуются в их сумму и разность. Для большинства звуковых файлов насыщенность канала с разностью (L−R) получается намного меньше канала с суммой (L+R). Также тут свою роль играет восприятие звука человеком, для которого различия в направлении звука намного менее примечательны. Поэтому объединённое стерео позволяет либо сэкономить на битрейте канала разности (L−R), либо улучшить качество на том же битрейте, поскольку на канал суммы (L+R) отводится бо́льшая часть битрейта.

5. Хранение  гипертекстовой информации.

В компьютерной терминологии, гипертекст – текст, сформированный с помощью языка разметки, потенциально содержащий в себе гиперссылки.

HTML (от англ. HyperText Markup Language – «язык разметки гипертекста») – стандартный язык разметки документов во Всемирной паутине. Большинство веб-страниц создаются при помощи языка HTML (или XHTML). Язык HTML интерпретируется браузером и отображается в виде документа, в удобной для человека форме.