УДК 004
ББК 32.97
Закляков В. Ф.
Информатика: учеб. для вузов – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: ДМК Пресс,
2021. – 750 с.: цв. ил.
ISBN 978-5-97060-921-7
Компьютеры окружают нас повсюду – сегодня они стали такой же будничной
реалией, как бытовые электроприборы. В этой книге подробно объясняется
что ныне понимается под информацией и как компьютер её обрабатывает.
Для этого, сначала даётся академическое изложение материала в стиле учебника,
приводятся базовые сведения из области информатики: основы кодирования
текстов, чисел, преобразования аналогового сигнала в цифровой вид и т. д.
Излагаются основы вычислений и булевой алгебры. В последующей (условно
справочной) части освещается история ЭВМ от ламп и транзисторов до нетбуков
и планшетов, рассматриваются аппаратное устройство и программное обеспечение
современного компьютера.
В процессе чтения вы узнаете много интересных фактов и случаев из истории,
примеров эффективного применения свободного ПО на базе ОС
GNU/Linux, несомненно станете мудрее (поскольку в тексте содержится много
различных life hack'ов). В отдельную главу вынесены актуальные выдержки из
законодательства РФ, раскрывающие юридические аспекты работы с информацией.
Приложения к главам содержат лабораторные работы, рекомендуемые для
самостоятельного выполнения и закрепления изученного материала.
Информация по базам данных и программированию в книге отсутствует.
Ил. 540. Табл. 258.
УДК 004
ББК 32.97
Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой бы то
ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев
авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность
технических ошибок всё равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несёт
ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.
© В. Ф. Закляков, 2021
ISBN 978-5-97060-921-7
© Оформление, ДМК Пресс, 2021
Стр.3
Содержание
743
Содержание
Введение................................................................................................................................3
Глава 1. Общие сведения об информационных процессах.................................................6
1.1. Понятие информации, её виды и свойства...............................................................6
1.2. Свойства информации................................................................................................9
1.3. Характеристики информации..................................................................................12
1.3.1. Формальные единицы измерения информации в технике.............................12
1.3.2. Обозначение одного байта по ГОСТ 8.417–2002............................................13
1.3.3. Методы и модели оценки количества информации........................................13
1.3.3.1. Объёмный метод............................................................................................14
1.3.3.2. Энтропийный метод (информация как снятая неопределённость)............14
1.3.3.3. Алгоритмический метод................................................................................19
1.3.4. Семантическая (смысловая) мера информации..............................................19
1.3.5. Прагматическая мера информации (мера полезности)..................................21
1.4. Заключение...............................................................................................................22
1.5. Контрольные вопросы к главе 1..............................................................................24
1.6. Литература к главе 1.................................................................................................25
Глава 2. Представление информации в компьютере.........................................................26
2.1. Основные теоретические сведения представления чисел в ЭВМ........................27
2.1.1. Положительные целые числа (машинное представление без знаковых целых
чисел)...........................................................................................................................28
2.1.1.1. Зачем столько двоичных форматов? ............................................................29
2.1.2. Основы кодирования, представления и записи целых чисел.........................31
2.1.2.1. Прямой код.....................................................................................................34
2.1.3. Отрицательные целые числа (машинное представление любых целых,
как со знаком, так и без)..................................................................................35
2.1.3.1. Дополнительный код......................................................................................36
2.1.3.2. Алгоритмы вычисления дополнительного кода...........................................39
2.1.3.3. Ошибки «переполнения» целых...................................................................44
2.1.4. Целые и не целые (числа с плавающей точкой/запятой)................................48
2.1.4.1. Кратко о стандартах IEEE 754-2008 и IEEE 854-1987.................................48
2.1.4.2. Типы данных в языке С (для хранения действительных чисел).................49
2.1.4.3. Пример «36,6» (один частный случай).........................................................52
2.1.4.3.1. Терминология..............................................................................................54
2.1.4.3.2. Алгоритм преобразования для одного числа из примера.........................54
2.1.4.4. Общий случай для действительных чисел: 10 диапазонов,
5 алгоритмов преобразований, 2 формулы!................................................58
2.1.4.4.1. Диапазон нормализованных чисел.............................................................61
2.1.4.4.2. Ноль (нуль)..................................................................................................63
2.1.4.4.3. Диапазон денормализованных чисел.........................................................64
2.1.4.4.4. Бесконечность (∞).......................................................................................71
2.1.4.4.5. Не числа (NaN, Not a Number)....................................................................72
2.1.4.5. Интересные наблюдения...............................................................................73
2.1.5. Ошибки представления (точность)..................................................................79
Стр.744
744
Содержание
2.2. Представление текстовой информации в ЭВМ......................................................87
2.2.1. Кодовые таблицы..............................................................................................87
2.2.1.1. Русификация...................................................................................................89
2.2.1.2. Кодовая таблица Unicode...............................................................................92
2.2.2. Однобайтное и многобайтное кодирование текстов,
кодировки переменной длины.........................................................................94
2.2.3. Недостатки многобайтовых кодировок...........................................................95
2.2.3.1. Краткое сравнение UCS-2 и UTF-16.............................................................96
2.2.4. Кодирование символов таблицы Unicode в формате UTF-8..........................97
2.2.5. Транслитерация, ASCII art................................................................................99
2.2.6. Специальные символы....................................................................................100
2.2.6.1. Знаки валют..................................................................................................101
2.2.6.2. Смайлики (значки, маленькие цветные картинки, иконки, эмодзи).........101
2.2.6.3. Специальный символ «BOM».....................................................................104
2.2.6.4. Символ(ы) перевода (конца) строки...........................................................104
2.2.6.5. Другие специальные символы.....................................................................105
2.2.7. Работа с текстовыми данными на практике..................................................105
2.2.7.1. Локализация в ОС Linux..............................................................................107
2.2.7.2. Перекодирование текстов, ошибки.............................................................107
2.3. Кодирование звуковой и аналоговой информации...............................................110
2.3.1. Терминология..................................................................................................114
2.3.2. Формат кодирования FLAC............................................................................115
2.3.3. Основы звукообработки..................................................................................115
2.3.3.1. Обратный путь: из цифры в аналог............................................................121
2.4. Кодирование графической и видеоинформации..................................................123
2.4.1. Растровая графика...........................................................................................125
2.4.1.1. Стандарт EXIF хранения метаданных об изображении............................127
2.4.1.2. Цветовая модель...........................................................................................128
2.4.2. Векторная графика..........................................................................................130
2.4.3. Трёхмерная графика (3D-графика)................................................................132
2.4.4. Фрактальная графика......................................................................................133
2.4.5. Представление видеоинформации в ПК........................................................135
2.4.5.1. Цифровое вещание.......................................................................................138
2.4.5.2. 3D-изображение, 3D-видео..........................................................................139
2.4.5.3. Пленоптика (вычисляемое видео)...............................................................140
2.5. Некоторые виды кодов и кодирования..................................................................144
2.5.1. Штрихкоды......................................................................................................145
2.5.1.1. QR-коды........................................................................................................146
2.5.2. Шрифт Брайля.................................................................................................150
2.5.3. Сжатие (архивация) различных видов информации.....................................151
2.6. Контрольные вопросы к главе 2............................................................................157
2.7. Литература к главе 2...............................................................................................158
Глава 3. Законодательство РФ о защите компьютерной информации...........................161
3.1. УК РФ о преступлениях в сфере компьютерной информации............................162
Статья 272. Неправомерный доступ к компьютерной информации......................162
Стр.745
Содержание
745
Статья 273. Создание, использование и распространение вредоносных
компьютерных программ.....................................................................163
Статья 274. Нарушение правил эксплуатации средств хранения, обработки
или передачи компьютерной информации и
информационно-телекоммуникационных сетей................................163
Статья 2741
Неправомерное воздействие на критическую информационную
инфраструктуру Российской Федерации...........................................164
3.2. ГК РФ об информации и её взаимосвязях с гражданами и ЭВМ.......................165
Статья 1225. Охраняемые результаты интеллектуальной деятельности и
средства индивидуализации..............................................................165
Статья 1253.1. Особенности ответственности информационного посредника....165
Статья 1256. Действие исключительного права на произведения науки,
литературы и искусства на территории Российской Федерации....166
Статья 1261. Программы для ЭВМ..........................................................................166
Статья 1262. Государственная регистрация программ для ЭВМ и баз данных....166
Статья 1280. Право пользователя программы для ЭВМ и базы данных...............166
Статья 1286.1. Открытая лицензия на использование произведения науки,
литературы или искусства..............................................................167
3.3. Другие федеральные законы и подзаконные акты...............................................168
ФЗ от 27 июля 2006 года № 149-ФЗ «Об информации, информационных
технологиях и о защите информации».....168
ФЗ от 27.07.2006 г. № 152-ФЗ «О персональных данных»....................................169
ФЗ от 29.12.2010 г. № 436-ФЗ «О защите детей от информации,
причиняющей вред их здоровью и развитию». . .170
ФЗ от 02.07.2013 г. № 187-ФЗ «О внесении изменений в отдельные законодательные
акты Российской Федерации по вопросам защиты интеллектуальных прав в
информационно-телекоммуникационных сетях»...................................................170
Распоряжение Правительства РФ от 31 декабря 2020 года № 3704-р...................170
3.4. Контрольные вопросы к главе 3............................................................................173
Глава 4. Аппаратное обеспечение компьютеров.............................................................174
4.1. Введение.................................................................................................................174
4.2. История механических вычислителей..................................................................175
4.3. Аналоговые компьютеры (аналоговые вычислители).........................................181
4.3. Поколения цифровых ЭВМ...................................................................................185
4.4. Другие компьютеры (вычислители)......................................................................198
4.4.1. Квантовые компьютеры (квантовые вычислители)......................................198
4.5. Научные основы работы современной ЭВМ........................................................204
4.5.1. Математические основы работы «чёрного ящика»......................................204
4.5.1.1. Какие они, сколько их?................................................................................205
4.5.1.2. Основные положения алгебры логики и вытекающие
из этого интересные свойства.....................................................................209
4.5.1.3. Способы описания работы «чёрного ящика».............................................210
4.5.1.4. Базисы функций алгебры логики................................................................211
4.5.2. Часто используемые базовые логические элементы.....................................211
4.5.3. Бистабильные схемы, триггеры.....................................................................214
Стр.746
746
Содержание
4.5.4. Другие схемы...................................................................................................219
4.5.5. Алгоритмизация..............................................................................................220
4.5.6. Машина Тьюринга, машина Поста................................................................225
4.6. Структура классической ЭВМ...............................................................................228
4.7. Процессор...............................................................................................................232
4.7.1. Отечественные разработки (процессор Эльбрус).........................................236
4.7.2. Процессор изнутри.........................................................................................238
4.7.3. Закон Мура......................................................................................................240
4.7.4. Что выбрать.....................................................................................................241
4.7.5. «Разгон» процессоров.....................................................................................249
4.7.6. Резюме по процессорам..................................................................................250
4.8. Чипсет.....................................................................................................................254
4.8.1. Intel Management Engine, AMD Secure Processor..........................................256
4.9. Материнская плата.................................................................................................256
4.9.1. Raspberry Pi®
....................................................................................................265
4.10. Оперативная память.............................................................................................266
4.10.1. Внутреннее устройство памяти....................................................................268
4.11. Устройства хранения информации......................................................................270
4.11.1. Винчестер......................................................................................................271
4.11.2. Внешние диски, DAS, СХД, SAN, NAS, iSCSI...........................................282
4.11.3. Пути улучшения характеристик жёстких дисков........................................283
4.11.4. Твердотельные накопители (SSD)................................................................287
4.11.5. Дисководы оптических дисков.....................................................................304
4.11.6. Флэш-память (USB-flash и карты памяти)...................................................314
4.11.6.1. SD-карты памяти........................................................................................315
4.11.7. Стример..........................................................................................................317
4.12. Устройства ввода информации............................................................................321
4.12.1. Клавиатура.....................................................................................................321
4.12.2. Компьютерная мышь....................................................................................326
4.12.3. Сканер............................................................................................................327
4.12.4. Дигитайзер, графический планшет..............................................................330
4.12.5. Сенсорный монитор......................................................................................331
4.12.6. Платы видеозахвата, TV- и FM-приёмники.................................................333
4.12.7. Музыкальные устройства ввода...................................................................334
4.12.8. Веб-камера.....................................................................................................334
4.13. Устройства вывода информации.........................................................................335
4.13.1. Видеоадаптер.................................................................................................335
4.13.2. Монитор.........................................................................................................337
4.13.3. Принтер..........................................................................................................341
4.13.4. Плоттер..........................................................................................................351
4.13.5. Мультимедиапроектор..................................................................................353
4.13.6. Устройства вывода звука..............................................................................356
4.14. Оборудование компьютерных сетей...................................................................358
4.14.1. Сетевой адаптер (сетевая карта)..................................................................359
4.14.2. Концентратор (hub).......................................................................................359
4.14.3. Коммутатор (switch)......................................................................................359
Стр.747
Содержание
747
4.14.4. Кабель............................................................................................................360
4.14.5. Маршрутизатор (router)................................................................................361
4.14.6. Модем.............................................................................................................362
4.15. Оборудование беспроводных сетей....................................................................363
4.15.1. Каналы Wi-Fi.................................................................................................364
4.16. Дополнительное оборудование...........................................................................366
4.16.1. Сетевой фильтр.............................................................................................367
4.16.2. Стабилизатор напряжения............................................................................368
4.16.3. Источник бесперебойного питания (ИБП)..................................................369
4.16.4. «Грозозащита»...............................................................................................373
4.17. Контрольные вопросы к главе 4..........................................................................376
4.18. Литература к главе 4.............................................................................................378
Глава 5. Программное обеспечение.................................................................................380
5.1. Введение.................................................................................................................380
5.2. Классификация программного обеспечения........................................................381
5.3. Операционная система...........................................................................................384
5.3.1. Краткая история развития операционных систем для ПК...........................386
5.3.1.1. История Windows (зарубежная закрытая ОС)............................................386
5.3.1.2. История Linux...............................................................................................390
5.3.1.3. Операционные системы для мобильных устройств..................................394
5.3.2. Процесс............................................................................................................396
5.3.3. Файл.................................................................................................................399
5.3.3.1. Задачи управления файлами........................................................................400
5.3.3.2. Именование файлов.....................................................................................401
5.3.3.3. Типы файлов.................................................................................................407
5.3.4. Логическая структура файловой системы. Стандарт FHS...........................412
5.3.5. Пользователи и разграничение доступа........................................................421
5.3.5.1. Дискреционная политика безопасности в ОС Linux.................................421
5.3.5.1.1. Проблема хранения учётных записей (и/или паролей пользователей). 424
5.3.5.1.2. Стандартные и расширенные атрибуты файлов.....................................425
5.3.5.1.3. Изменение атрибутов (прав доступа)......................................................428
5.3.5.1.4. Смена владельца (группы)........................................................................431
5.3.5.1.5. Изменение и просмотр расширенных атрибутов....................................432
5.3.5.1.6. Списки управления доступом (ACL).......................................................434
5.3.5.1.7. Пользователи ОС Linux............................................................................437
5.3.5.2. Реализация дискреционной политики в Windows......................................437
5.3.5.3. Другие политики безопасности...................................................................444
5.3.6. Основа безопасного разграничения – файловая система.............................445
5.3.7. Файловая система (уровень организации).....................................................447
5.3.7.1. FAT................................................................................................................448
5.3.7.2. VFAT..............................................................................................................450
5.3.7.3. NTFS.............................................................................................................451
5.3.7.3.1. Альтернативные файловые потоки в ФС NTFS......................................454
5.3.7.3.2. Резюме по ФС NTFS.................................................................................455
5.3.7.4. exFAT.............................................................................................................456
Стр.748
748
Содержание
5.3.7.5. ext2, ext3, ext4...............................................................................................456
5.3.7.6. CDFS, UDF, ISO 9660...................................................................................480
5.3.8. Краткое сравнение файловых систем............................................................482
5.3.9. Таблица разделов, MBR, GPT........................................................................482
5.3.9.1. Полезные советы про таблицу разделов.....................................................484
5.3.10. Полезная информация про ОС Windows.....................................................485
5.3.11. Сбои системы: синий экран «BSOD» и kernel panic...................................488
5.4. Виртуализация, гипервизоры................................................................................489
5.4.1. Проблемы.........................................................................................................491
5.4.2. Эмуляция.........................................................................................................492
5.4.3. Облака..............................................................................................................494
5.4.4. Недостатки облачных сервисов.....................................................................495
5.4.5. QEMU..............................................................................................................495
5.4.6. VirtualBox.........................................................................................................496
5.4.7. Wine и DOSBox...............................................................................................499
5.5. Офисный пакет LibreOffice....................................................................................500
5.5.1. Подготовка текстовых документов в LibreOffice Writer...............................500
5.5.1.1. Стили оформления.......................................................................................503
5.5.1.2. Создание документа.....................................................................................504
5.5.1.3. Формулы.......................................................................................................506
5.5.1.4. Математические графики в тексте..............................................................508
5.5.1.5. Рисунки.........................................................................................................509
5.5.1.6. Таблицы в тексте..........................................................................................509
5.5.1.7. Создание оглавления....................................................................................510
5.5.1.8. Проверка правописания...............................................................................510
5.5.1.9. Экспорт в PDF..............................................................................................511
5.5.1.10. Ленточный интерфейс в LibreOffice.........................................................511
5.5.1.11. Сохранение в облако..................................................................................512
5.5.2. Другие офисные программы, входящие в состав LibreOffice......................512
5.5.3. Альтернативные офисные пакеты..................................................................513
5.6. Сервисные программы...........................................................................................514
5.6.1. Защита от вирусов...........................................................................................515
5.6.2. Архивация файлов..........................................................................................525
5.6.3. Работа с оптическими дисками......................................................................527
5.6.4. Программы воспроизведения DVD-фильмов и видеофайлов, кодеки........530
5.6.5. Создание и просмотр специальных форматов документов..........................532
5.7. Контрольные вопросы к главе 5............................................................................535
5.8. Литература к главе 5...............................................................................................537
Приложение к главе 5. Примеры лабораторных работ...................................................540
Лабораторная работа № 1. Разграничение доступа....................................................540
Лабораторная работа № 2. Исследуем inode...............................................................548
Глава 6. Объединение компьютеров в сéти......................................................................577
6.1. Зачем объединяться?..............................................................................................577
Стр.749
Содержание
749
6.1.1. Как и для чего используют сети частные лица?............................................580
6.1.2. Социальные аспекты в развитии сетевого обмена информацией................586
6.2. Компьютерная сеть.................................................................................................601
6.2.1. Классификации компьютерных сетей...........................................................602
6.2.2. Сетевые (эталонные) модели.........................................................................602
6.2.3. Заключение, используемые термины.............................................................604
6.2.4. Документы RFC (Request For Comments), draft............................................606
6.3. Интернет.................................................................................................................610
6.3.1. История интернета..........................................................................................610
6.3.2. Современная структура интернета................................................................615
6.3.3. Некоторые сетевые протоколы.......................................................................623
6.3.4. Адресация в интернете...................................................................................625
6.3.5. Способы подключения к интернету конечных пользователей.....................635
6.3.6. Что надо «знать» компьютеру, чтобы «выходить» в интернет?...................640
6.3.7. Поиск информации в интернете.....................................................................641
6.3.8. Основы создания веб-страниц........................................................................646
6.4. Общение и обмен информацией в интернете между пользователями...............651
6.4.1. Электронная почта..........................................................................................651
6.4.2. RSS-каналы......................................................................................................655
6.4.3. Twitter...............................................................................................................656
6.4.4. Общение в реальном времени........................................................................657
6.4.4.1. Службы мгновенных сообщений (ICQ и др.).............................................658
6.4.4.2. Альтернатива времени: Whatsapp, Viber, Telegram и др............................660
6.4.4.3. Коллективное виртуальное общение..........................................................663
6.4.4.4. Вебинары......................................................................................................666
6.4.4.5. IР-телефония.................................................................................................667
6.4.5. Обмен файлами...............................................................................................670
6.4.5.1. Торренты.......................................................................................................670
6.4.5.2. Хранение файлов в облаке...........................................................................672
6.5. Интернет-радио и интернет-телевидение.............................................................675
6.6. Электронная коммерция........................................................................................676
6.7. Обеспечение безопасности информации в интернете.........................................683
6.8. Литература к главе 6...............................................................................................687
6.9. Контрольные вопросы к главе 6............................................................................688
Приложение к главе 6. Примеры лабораторных работ...................................................690
Лабораторная работа № 3. Настройка и исследование работы сетевого шлюза......690
Лабораторная работа № 4. Исследуем сокеты.............................................................711
Алфавитный указатель......................................................................................................740
Содержание........................................................................................................................743
Стр.750