Информатика. Методическое пособие. Лекция 2 презентация

Дмитрий Владимирович Курбатский старший преподаватель каф. ихтиологии и гидробиологии, научный сотрудник ЛМБ БИ ТГУ, магистр биологии Зоологический музей (к. 123) Компьютерный класс (к. 028) Группа ВКонтатике «Курсы "Информатика" и "Информационные технологии"»: vk.com/i_it_bi_tsu Персональный раздел: zoo.tsu.ru/kdv Рейтинг на сайте Professorrating.ru

Примечание Слова и выражения, записанные латиницей, являются английскими, если не указано иное. ПК = персональный компьютер ОС = операционная система

 Студенту на заметку != – неравенство (программирование) ∈ – принадлежность (элемент множества) ~ – подобие, эквивалентность, также – приблизительно ^ или ** – обозначение степени, если по-другому нельзя, например 2^10 = 210 .. – диапазон, например 0..10 => – следовательно, поэтому _ _ – символ подчёркивания, вместо жирного выделения, если его _нельзя_ использовать ~ ~ – то же, но для ~курсива~ Wingdings (альтернатива – ITC Zapf Dingbats Std): шрифт от Micro$oft, которым можно набирать (а не рисовать) подобное:  

Блок 1 Единицы измерения информации или что такое ЙОБИБАЙТ

Бит Базовая единица измерения количества информации, равная количеству информации, содержащемуся в опыте, имеющем два равновероятных исхода. Придуман К. Шэнноном в 1948 г. Обозначает «кусочек байта» (bit) двоичная цифра (binary digit).

Бод – единица измерения символьной скорости, количество изменений информационного параметра, несущего периодического сигнала в секунду. Бит != Бод Также бодами выражают полную ёмкость канала, включая служебные символы (биты), если они есть. Эффективная же скорость канала выражается другими единицами, например битами в секунду (бит/c, bps).

Энергия информации или Почему греется процессор Принцип Ландауэра: W=kT ln2 где W – теплота, Дж, k - константа Больцмана, T - абсолютная температура вычислительной системы, К выражение Шеннона — Фон-Неймана — Ландауэра: Ebit > ESNL составляет ~2,871*10-21 Дж при 300° К Эта энергия нужна для уничтожения, а не создания 1 бита! Также на энергию информации влияют скорость и частота её передачи.

Обычные логические элементы НЕ ИЛИ И XOR

Консервативная логика Вентиль Тоффоли Вентиль Фредкина Подробности

Байт byte ~ BinarY TErm минимальный независимо адресуемый набор данных сейчас 1 байт = 8 бит (октет), ранее был также 6, 7, 9, 36 бит возможное значение – 0..255 (или -128..127), а также условно – 1 символ пол-байта = ниббл (4 бита)

Таблица приставок

Варианты Гбайт, Мбайт ~ ГиБ, МиБ (т.е. степени двойки), а ГБ, МБ – десятичные 1 КБ = 1024 байт, а 1 кБ = 1000 байт по ГОСТу: Кбайт и кбайт Также: b – биты, B – байты, т.е. 100 Mb (Сеть) != 100 MB, а в 8 раз меньше!

Почему так, и где 2 в степени N используется, т.к. адресация данных в ПК двоичная. Приставки «кило-», «мега-», «гига-» понимаются как двоичные: для сокращённого задания размера файлов: 100 КиБ ~ 102400 байт при указании объёма оперативной памяти и в видеокартах согласно ГОСТ 8.417-2002 Приставки «кило-», «мега-», «гига-» понимаются как десятичные: при указании ёмкости жёстких дисков, флэш-карт и оптических дисков (исключение: компакт-диски): 1 «мегабайт» = 1 024 000 или даже 1 000 000 байт => жёсткий диск на «250 гигабайт» имеет: 250 * 10^9 / 2^20 = ~232.8 ГиБ при примерном указании объёма: 100 КБ ~ 100 000 Б при обозначении скоростей телекоммуникационных соединений: 100 Мбит/с в стандарте 100BASE-TX соответствует 100 000 000 бит/с

Йобибайт Это «терабайт терабайтов», т.е. 2^80 байт. И он таки существует!

 Студенту на заметку Метр – единица измерения, равная 100 см. или 0.001 км. Также можно и 1 мегабайт (точнее, мебибайт) назвать метром. См. также килограмм… . – точкой лучше разделять дробные числа, т.к. 10.64, 1.6, 45.9 ИМХО, читается лучше, чем 5,6, 12,0, 111, 33. ИМХО (IMHO) – In my humble / honorous / happy etc opinion = типа, по-моему. + после чисел = и более, например: 1+ – примерное количество студентов на лекции (вместе с преподавателем). etc – et caetera, по-латыни – и так далее, и т.д.

Практические примеры 1 бит ~ выключатель 1 байт ~ набор флагов; жизни в простых игрушках рассказ – 10..100 КиБ повесть, роман – полметра – полтора то же с картинками – 1..3+ мегабайт картинка (хор.) – 500 КиБ картинка (отл.) – 1.5..5 МиБ картинка (оч. плох. для моб. тел.) - ~1..20 КиБ песенка – 1.5..10 МиБ фильм: ~700 МиБ, ~1.2..2 ГиБ, ~4..8 ГиБ, от качества игрушки: <1 КиБ (да, и так можно!), до 10+ ГиБ. реферат, курсовая – 0..50 МиБ операционные системы (дистрибутив): MenuetOS – 1.5 МБ, Window$ 8 – 2.6 ГБ

А ещё есть… кубиты – в квантовых компьютерах триты – это когда 3 состояния, например -1, 0, 1 наты – это вобще уже в теории, т.к. равен log2e ≈ 1,443 бит

Блок 2 Числовые типы данных

Примерная классификация типов данных Неинтерпретируемые Целые С запятой Текстовые Композитные Логические Дата/время Системные Абстрактные

Где всё это встретится Реестр MS Windows Электронные таблицы MS Excel Базы данных Программирование ГИС и др.

Неинтерпретируемый тип* Байт (byte, char), 1 байт, 0..255 трайт и т.п. Слова (word): одинарное (word, integer, short), 2 байта, 0..65535 двойное (dword, cardinal, long, int ), 4 байта, 0..4 294 967 295 четверное (qword, longword, quad, int64), 8 байт, 0.. 18 446 744 073 709 551 615 и более. * – названия применяются также для знаковых типов

Числовой целочисленный тип беззнаковый (unsigned) UInt начинается с 0 заканчивается 2^N–1, где N – разрядность пример: слово (word, 2 байта) ~ 0..65535 ( 2 ^ (8 * 2) - 1) знаковый (signed) Int находится в диапазоне от -28N-1 до +28N-1-1 пример: short (2 байта) ~ -32768..32767 часто записывается в дополнительном коде

Дополнительный код 234d = 11101010b -234d = 00010101b вычитание: 234d – 234d = 01100101b + 10011011b = 1 0000 0000b = 0 формула: -x ~ NOT(x) + 1 например, FFh = 11111111b = -1d

0A программистов 0A программистов продукт решили сделать, Один спросил "А деньги где?", и их осталось 9. 9 программистов предстали перед боссом, Один из них не знал FoxРro, и их осталось 8. 8 программистов купили IBM, Один сказал "Мак рулез!", и их осталось 7. 7 программистов хотели helр прочесть, У одного накрылся винт, и их осталось 6. 6 программистов пытались код понять, Один из них сошел с ума, и их осталось 5. 5 программистов купили CD-ROM, Один принес китайский диск - остались вчетвером. 4 программиста работали на Си, Один из них хвалил Паскаль, и их осталось 3. 3 программиста в сети играли в DOOM, Один чуть-чуть замешкался, и счет стал равен двум. 2 программиста набрали дружно: "win" Один устал загрузки ждать - остался лишь 1. 1 программист все взял под свой контроль, Но встретился с заказчиком, и их осталось 0. 0 программистов ругал сердитый шeф, Потом уволил одного, и стало их FF.

Смещение

Переполнение 255 + 250 = = FF + FA = 1 F9 байт байт 2 байта

Числа с запятой фиксированная запятая плавающая запятая или то же, но точка (point)

Фиксированная запятая fixed point x = x’ * z пример: 34.03 ~ 3403 * 10^-2 часто z = 2^-f => арифметика (i,f) бит, где i = n – f FF | FFFFFF (4 байта) целая | дробная часть маленький диапазон :( денежный тип (currency) – 8 байт, 4 значащих цифры

Плавающая запятая floating point Состоит из: знак порядок (экспонента) мантисса Экспоненциальная запись: -0.0000000001435321465 => - 1.435321465 E -10 знак мантисса порядок Обычно: 1 =< мантисса < основание СС

Двоичная запись В двоичном виде: x=(-1) ^ s × M × 2 ^ E (M ∈ [0;1) ) или же x=(-1) ^ s × 1.M × 2 ^ E (M ∈ [1;2) ) (нормализованная форма) s – знак, M – мантисса, E – порядок

Сравнение Десятичная дробь: -1.375 = -1 * (1 + 3/10 + 7/100 + 5/1000) степень 10: 0 -1 -2 -3 0.3310 = 0 + 3/10 + 3/100 Двоичная дробь: -1.37510 = -1 * (1 + 1/4 + 1/8) = -1.0112 степень 2: 0 -2 -3 0.3310 = 0 + 1/4 + 1/16 + … = 0.0101(01)2

Двоичная запись мантисса всегда = 1+x порядок степени двойки записывается с добавлением 2^(i-1): - 3d => 1111 1101b + 0111 1111b (2^7) = 1 0111 1100b смещение: 0 1 2 3 .. 255 степень 2: -128 -127 -126 -125 .. 127 знак – 1-й младший бит

Пример

Ещё примеры (шестнадцатеричная запись) 3f80 0000 = 1 c000 0000 = −2 7f7f ffff ≈ 3.4028234 × 1038 (максимальное значение одинарной точности) Все нули: 0000 0000 = 0 8000 0000 = −0 Экспонента – все 1, мантисса – все 0; т.е. число 1.0 * 2 ^ 128 7f80 0000 = infinity ff80 0000 = −infinity 3eaa aaab ≈ 1/3

Разновидности

Разновидности одинарный, single двойной, double четверной, quadriple, binary128 расширенный, extended 6 байтный Онлайн-калькулятор Подробная статья об

Проблемы арифметики с плавающей точкой некоммутативность и неассоциативность A*B != B*A A+(B+C) != (A+B)+C переполнение деление на ноль два ноля не-число (NaN) эпсилон и потери при округлении денормализация и исчезновение порядка

Другие числа Комплексные Длинные Бесконечность

Размещение чисел в памяти число A1B2C3D4h Байты памяти : 1 2 3 4 Смещение: +0 +1 +2 +3 little-endian: D4 C3 B2 A1 big-endian: A1 B2 C3 D4

Регистр микропроцессора EAX A1B2 C3D4 32 бит AX C3D4 16 бит (младших) 0 1 2 3 ← смещение D4 C3 B2 A1 AX EAX

Размещение чисел в памяти Порядок от старшего к младшему big-endian (BE) Motorola TCP/IP PNG, FLV Порядок от младшего к старшему little-endian (LE) Intel USB, PCI Переключаемый, смешанный

BOM byte order mark код FEFFh FFFEh – не существует выглядит как  или þÿ

Блок 3 Штрих-коды

Штрих-код

Типы Одномерные EAN EAN-8 EAN-13 UPC UPC-A UPC-E Code56 Code128 (UPC/EAN-128) Codabar Двухмерные многоуровневые матричные Цветные

Кодирование цифр (EAN-13) 7 бит на цифру

Кодирование цифр в EAN13

Кодирование 13-й цифры в EAN-13

Структура EAN13 Префикс национальной организации GS1 (3 цифры) Регистрационный номер производителя товара (4–6 цифр) Код товара (3–5 цифр) Контрольное число (1 цифра) Дополнительное поле ( > )

Вычисление контрольного числа

Региональные коды национальных организаций GS1 Префикс Национальная организация GS1 000-139 GS1 США 200-299 Внутренняя нумерация (для свободного использования внутри предприятий) 460-469 GS1 Россия 950 GS1 Главный офис 977 Периодические издания, пресса (ISSN) 978-979 Книги (ISBN) 980 Возвратные квитанции 981-982 Валютные купоны 990-999 Купоны

Защитные штрихи и 666 Левый защитный шаблон 101 Средний защитный шаблон 01010 Правый защитный шаблон 101

Многоуровневые штрих-коды

QR-код 41 пиксел на сторону код Рида – Соломона для коррекции ошибок => избыточность! Ёмкость: цифры — 7089; цифры и буквы (включая кириллицу) — 4296; двоичный код — 2953 байт; иероглифы — 1817. Генератор кодов

QR-код

Изображения на QR-кодах 172 8-пиксельных зоны 51 шт. (~30%) доступно для творчества Белая окантовка (или контрастный цвет)

Блок 4 Кодирование и мечение в зоологии

Мечение маток пчёл

Мечение жуков краской проколами надрезанием

Задача Дано: 2 надкрылья 2 краски максимум 3 метки на 1 надкрыльи минимум 1 цветная метка на жуке Сколько всего жуков можно пометить?

Мечение грызунов

Мечение птиц Номерные кольца Цветные кольца RFID и штрих-коды Радиометки Геолокаторы GPS-метки

Номерные кольца серия номер город / страна

Номерные кольца

Мечение попугаев 2013 - чёрный 2014 - светло-зелёный 2015 - фиолетовый 2016 - оранжевый 2017 - тёмно-синий 2018 - красный RBC J2 13 22 RBC — аббревиатура клуба (Russian Budgerigar Club) J — литера страны (Российская Федерация) 2 — индивидуальный номер заводчика 13 — год рождения птицы (кольцо чёрного цвета) 22 — порядковый номер кольца

Цветное мечение

RFID-мечение

Мечение птиц геолокаторы (в т.ч. водные) GPS-метки

Радиомечение

Мечение рыб

Мечение рыб

Блок 5 Ещё о кодировании данных

Кодирование даты и времени 3 числа проблема 2000 количество секунд UNIX-время 13.12.1901 – 01.01.1970 – 19.01.2038 проблема 2038 число с точкой VBA, Excel 01.01.1900

Кодирование координат Градус, минута, секунда DMS 18° 12’ 56.17’’ Градуcы с десятичными минутами 18° 12.936’ Десятичные градусы decimal degrees 18.21560278dd

А также Массив (вектор) a[0..4] of Char Логические значения (boolean) Флаги GUID (UUID) уникальный {6F9619FF-8B86-D011-B42D-00CF4FC964FF} 2^128 ~ 3.4 * 10^38

.