Pavel Roubal

Informatika a výpočetní technika

pro střední školy

Teoretická učebnice

Computer Press

Brno

2012

Informatika a výpočetní technika pro střední školy

Teoretická učebnice

Pavel Roubal, www.eduit.cz

Obálka: Martin Sodomka

Odpovědný redaktor: Michal Janko

Technický redaktor: Jiří Matoušek

Objednávky knih:

http://knihy.cpress.cz

www.albatrosmedia.cz

eshop@albatrosmedia.cz

bezplatná linka 800 555 513

ISBN 978-80-251-3228-9

Vydalo nakladatelství Computer Press v Brně roku 2012 ve společnosti Albatros Media a. s. se sídlem Na Pankráci 30, Praha 4.

Číslo publikace 16 363.

© Albatros Media a. s. Všechna práva vyhrazena. Žádná část této publikace nesmí být kopírována a rozmnožována za účelem

rozšiřování v jakékoli formě či jakýmkoli způsobem bez písemného souhlasu vydavatele.

Dotisk 1. vydání

Obsah

Úvod

Mít nadhled a přehled

Informatika, počítače a lidé

1. Základy informatiky a teorie informace

1.1 Digitální reprezentace a přenos informací

Analogová a digitální zařízení

Jednotky informace - bit a bajt a jejich násobné jednotky

Bezeztrátová a ztrátová komprese dat

Přenos dat a přenosové rychlosti

Proces komunikace, kód a Shannonův teorém

Digitalizace podrobněji, potřebný počet bitů

Dvojková a šestnáctková soustava

1.2 Informační zdroje a jejich kvalita

Informační zdroje a jejich vlastnosti

Knihovny a jimi poskytované služby

Katalog a fulltext

Webový vyhledávač

Orientace ve výsledku hledání

Zpřesnění zadání, pokročilé vyhledávání

Kvalita a relevance informačního zdroje

Kritický přístup k informacím

Metadata (metainformace) a jejich vyu žití

Myšlenkové mapy

Digitalizace a virtualizace reálných objektů

Virtualizace reálných objektů a míst

Virtuální počítače

2. Technické vybavení počítačů a počítačových sítí

2.1 Vývoj a druhy počítačů

Historie počítačů Jednoduchá počítadla, Abacus

Vývoj osobních počítačů

Trendy ve vývoji počítačů

Druhy počítačů a oblasti jejich nasazení

2.2 Počítač, jeho komponenty a periferní zařízení

Funkce a role základních počítačových komponent

Běžná úložiště a záznamová média

Vstupní a výstupní zařízení

Vstupní zařízení

Výstupní zařízení

Druhy tiskáren, jejich vlastnosti a použití

John von Neumannovo sch éma počítače

Hardware a software počítače

Hardwarové díly počítače podrobněji

2.3 Struktura datových sítí a přenos dat

Základní druhy lokálních sítí, LAN a WAN, server a klient

Mapování síťových disků (složek)

Sítě mobilních telefonů

Globální družicové polohovací systémy

Struktura sítě Internet a její principy

Technické způsoby připojení k síti Internet

Připojení koncových uživatelů

Lokální sítě a jejich technické prvky

Komunikace a směrování dat v LAN (MAC, IP, DHCP, DNS)

Komunikace z LAN do/z Internetu, routing, NAT

Bezdrátové sítě a jejich technické prvky, zabezpečení sítě

3. Programové vybavení počítačů

3.1 Operační systémy a jejich funkce

Základní funkce operačního systému

Vytváření datových souborů, spustitelné a datové soubory

Architektura operačního systému, ovladače, jádro systému, aplikační a grafické rozhraní, multitasking

Charakteristiky nejrozšířenějších operačních systémů

Stručná historie operačních systémů

3.2 Ovládání operačního systému a správa souborů

Rozhraní a nástroje operačního systému

Prozkoumávání složek, práce se soubory, hledání objektů

Schránka operačního systému

Komprimace a dekomprimace souborů a složek

3.3 Základní nastavení operačního systému

Uživatelská nastavení operačního systému

Instalace a odebírání písem, programů a tiskáren Instalace nového písma (fontu)

Správa tiskáren a průběhu tisku

Nastavení uživatelských práv k souborům

3.4 Datové soubory

Formát datového souboru, vazba typů datových souborů (asociace) s určitou aplikací

Nejpoužívanější typy datových souborů a programů

Význam standardizace datových souborů

Principy ukládání dat pomocí XML soubor ů

4. Člověk, společnost a počítačové technologie

4.1 Bezpečný počítač

Aktualizace operačního systému a aplikačních programů

Firewall a dal ší bezpečnostní nástroje

Počítačové viry a červy, malware a spyware

Metody útoků přes webové stránky a elektronickou poštu

Antivirový program

Problematika spamu a obrana proti němu

Podvody (tzv. techniky sociálního inženýrství), hoaxy

Komplexní přístup k bezpečnosti IT

4.2 Obecné bezpečnostní zásady a ochrana dat

Zásady vytvoření bezpečného hesla

Zabezpečení počítače a dat před zneužitím cizí osobou

Šifrování souborů prakticky

Ochrana dat před ztrátou, zálohování dat

Integrita dat, hash, autenticita, šifrovací algoritmus a klíč

Symetrická kryptografie a oblasti jejího nasazení

Asymetrická kryptografie, privátní a veřejný klíč

Elektronický podpis

4.3 Etické zásady a právní normy související s informatikou

Základy počítačové etiky

Zákon o svobodném přístupu k informacím a Zákon o ochraně osobních údajů

Podstata ochrany autorských práv

Normy pro citování z knih a z on-line zdrojů

Licence k užití programu

Licence GNU/GPL

Licence Creative Commons

Proprietární (komerční) programy a open source

4.4 Ergonomie a hygiena práce s výpočetní technikou

Ergonomické a hygienické zásady práce s ICT

4.5 ICT a osoby s handicapem

Pomůcky pro využití ICT osobami s handicapem

Využití počítačů pro zkvalitnění života

4.6 ICT a životní prostředí

Energetická náročnost různých typů ICT

Úsporné technologie obsažené v OS a jejich nastavení

Nakládání s elektronickým odpadem a jeho recyklace

Komponenty a spotřeba počítače

4.7 Média, reklama a technologie

Soukromá a veřejnoprávní média

Způsoby manipulace s příjemcem sdělení

Vliv reklamy na současnou společnost

Počítačové úpravy vyobrazení předmětů a osob a jejich vliv na příjemce sdělení

Etapy realizace reklamní kampaně

4.8 Význam IT pro veřejnou sféru

IT v pr ůmyslu, obchodu a bankovnictví

IT ve ve řejné a státní správě

5. Využívání služeb Internetu

5.1 WWW - World Wide Web

Pojmy hypertext, hyperlink, URL, doména

Webový prohlížeč a způsob jeho práce

Práce s prohlížečem webu včetně pokročilých funkcí

Zabezpečené připojení a digitální certifikát serveru

5.2 Využívání webových aplikací a sociálních sítí

Desktopové a webové aplikace

Web 2.0, jeho principy a služby

Fungování internetových obchodů, vazba na databáze

Sociální sítě, jejich přínosy a rizika

LMS a jeho základní funkce aneb e-learnig ve škole

5.3 Elektronická komunikace

Princip fungování elektronické pošty

E-mailový klient a jeho funkce

Nastavení e-mailového klienta

Údaje v záhlaví e-mailové zprávy

Charakteristiky synchronních a asynchronních způsobů komunikace

Doslov

Úvod

Mít nadhled a přehled

Maturant z předmětu Informatika by měl mít v oblasti IT nadhled a přehled... Co tato na pohled jednoduchá věta znamená?

Nadhled se dá doslova vyložit jako pohled z výšky, z místa nad něčím. Z takového místa bývá vidět určitý předmět celý a navíc, bývá vidět i jeho okolí. Tedy je zřejmé, jak tato věc souvisí s ostatními věcmi v její blízkosti a jak (přes jaké) věci/oblasti souvisí s celkem.

Jak se získá takový nadhled? Poctivě řečeno, poměrně obtížně. Vyžaduje to znát mnoho pojmů a principů, přemýšlet o věcech v jejich souvislostech, chápat jejich vztahy a návaznosti, a v důsledku toho je s porozuměním využívat. Není to věc týdne, měsíce ani roku. Ale je to vlastní cíl komplexní maturitní zkoušky a navíc výborné východisko pro práci s IT na mnoho let dopředu.

Přehled nemá tak jednoduchou ilustraci jako nadhled. Snad by se dalo říci, že kamkoliv mi padne zrak, tam vidím známé věci a pojmy. Tedy že se orientuji v mnoha oblastech, vím co se v nich děje, jaké jsou nové trendy, výrobky a postupy.

Jak získám přehled? Opět ne úplně jednoduše. Mnoho lidí si myslí, že pokud sedí u počítače několik hodin denně, tak o IT mají přehled. Skutečnost bývá jiná. Pouhé sezení přehled nevytváří. Je potřeba pravidelně a aktivně sledovat odborné informační zdroje, minimálně dva až tři weby z oblasti IT a odebírat (i číst) minimálně jeden počítačový časopis.

Je tu slušná šance, že kombinace pár let vzdělávání ve škole, vlastního vzdělávání a sledování odborného tisku a samozřejmě každodenní „hraní si” s IT vám umožní získat nadhled, přehled i praktické dovednosti v IT oblasti. A pak pro vás bude případná maturitní zkouška z Informatiky jen zajímavé potvrzení vašich schopností

Tato učebnice si klade poměrně neskromný cíl, pomoci Vám při získávání přehledu i nadhledu nad oblastí IT. Na základě maturitního katalogu předmětu Informatika včetně jeho přesahů do souvisejících oblastí. Zkuste ji takto využít.

Informatika, počítače a lidé

Pojem informace pochází z latiny, a je tedy zřejmé, že při jeho vzniku počítače určitě nebyly. I dnes informace existují nejen v oblasti počítačů - jsou na nich postaveny všechny biologické systémy a vycházejí z nich sociální vazby mezi lidmi.

Většina současných složitějších zařízení je digitální. Co to znamená? Na jakých principech pracují? Jaká byla zařízení dříve? To vše si zde vysvětlíme a pak projdeme zajímavou historií vzniku moderních informačních technologií, které kromě autorů sci-fi románů nikdo nepředpovídal a neočekával. Vždyť s prvním mikroprocesorem měli řídící pracovníci firmy Intel problém: „A kde by se to dalo použít?” Internet zase vznikl jako „mezisíť” několika oddělených počítačových sítí, zcela bez ambic na globální informační médium.

Počítače a Internet zde ale jsou a zasahují do našeho života. Většinou kladně - nabízejí mnoho možností, o kterých se lidem před třiceti lety ani nezdálo. Někdy však také negativně - pojmy jako spam, vir, červ, počítačové pirátství zná snad každý. Navíc lidské tělo, které je stvořeno k pohybu, při práci s počítačem většinou sedí na židli ve strnulé poloze, což může ohrozit naše zdraví. Počítače pak působí nejen na naše zdraví fyzické, ovlivňují také lidskou psychiku a stále výrazněji zasahují do celé společnosti.

Důležité

Poznámky s odkazy na web u většiny témat v této učebnici nenajdete. Současný student střední školy používá web zcela samozřejmě vždy, pokud se chce o nějakém pojmu či tématu dovědět více a umí většinou potřebný zdroj informací vyhledat (pozor: Google není zdroj, ale pomůcka k nalezení zdrojů), nepotřebuje tedy k tomu pokyny. Jen u webů, které nejsou na prvních pozicích vyhledávačů, a jejichž obsah je obzvláště přínosný, jsou uvedeny jejich adresy.

1. Základy informatiky a teorie informace

1.1 Digitální reprezentace a přenos informací

Celá oblast IT se zabývá získáváním, ukládáním, přenosem a interpretací informací. A díky práci John von Neumanna (viz část Von Neumannovo schéma počítače) se v současných počítačích informace ukládají pomocí dvojkové (binární) soustavy. A protože se k reprezentaci všech údajů (čísel, písmen, barev apod.) používají číslice (anglicky digit), označují se často tato zařízení slovem digitální.

Zajímavost

Změna technologie přináší i změnu chování lidí a komerčních firem. Protože kopírováním analogových audio a videokazet docházelo k výrazné ztrátě kvality nahrávky, nebylo možné jednoduše vytvořit mnoho kopií originálních nahrávek a autorská práva (a tedy i zisky) vydavatelských společností nebyla výrazně ohrožena. (I když filmové společnosti se již v době vzniku videokazet cítily ohroženy a usilovaly o soudní zákaz výroby videorekordérů; kdyby uspěly, byly by na trhu pouze přehrávače kazet.)

Digitální záznam je dnes možné velmi levně a rychle mnohokrát kopírovat při zachování 100% kvality. Problém autorských práv proto výrazně vystupuje do popředí, různé kódy a ochrany před kopírováním se neosvědčují a velkým problémem jsou tzv. výměnné sítě.

Pracujeme

1. Digitální záznam používá dva stavy: 0 a 1. Kolik základních stavebních jednotek pro záznam informací používá DNA?

2. Zkuste zjistit, proč je záznam informací pomocí DNA mnohonásobně efektivnější než záznam informací pomocí současných počítačových technologií.

3. Máte doma nebo u sebe nějaká digitální zařízení? Jaká?

4. Máte doma nějaká analogová zařízení (např. na záznam zvuku)? Jaká?

Analogová a digitální zařízení

Analogové zařízení používá pro záznam zvuku nebo obrazu nějakou křivku, která je realizována magnetickým polem nebo jiným fyzikálním jevem. Například analogový magnetofon převede hudbu (tj. audiosignál) na křivku (průběh magnetického pole) a tato křivka je zaznamenána na nějaký nosič (pásek v kazetě).

Přenosem a kopírováním původní křivky vždy dochází k jejímu zkreslení, a tedy ke ztrátě kvality původního záznamu. Čím více uděláte kopií nebo čím obtížnější budou podmínky přenosu (např. u klasického telefonu), tím více se zhorší kvalita.

Analogový signál je při každé kopii (přenosu) zkreslen, proto klesá jeho kvalita

Digitální záznam (tj. číslicový, binární) využívá tzv. A/D (Analog/Digital) převodník analogového signálu, který je jeho pomocí digitalizován a dále přenášen či zaznamenáván jako skupina nul a jedniček. Protože odlišit od sebe 0 a 1 (je napětí x není napětí) je možné téměř bezchybně a případné chyby jsou hlídány tzv. kontrolními (také paritními) bity, nedochází při přenosu digitálního signálu ke ztrátám informace, a tedy ani kvality signálu.

Digitalizace signálu: Původní analogový signál je vyvzorkován ( „ rozsekán ” ) na jemné obdélníčky, každý z nich je změřen a číselná hodnota jeho velikosti je převedena do dvojkové soustavy - na množinu nul a jedniček.

Je zřejmé, že aby byl analogový signál (zvuk, obraz) věrně zaznamenán, musí být vzorků velké množství, vzorkování musí být velmi jemné. Kolik - to určuje tzv. Shannonův teorém (viz dále) Tok dat představující původní signál je nesmírně rychlý a náročný na technické zpracování. Proto zvládnutí digitálního záznamu zvuku bylo vyřešeno v CD přehrávačích až v 80. letech minulého století a přenos digitálního zvuku je realizován až v GSM telefonech. Digitální záznam obrazu byl technicky vyřešen v DVD přehrávačích a používá se i v přístrojích Blu-Ray. Osobní počítače jsou digitální od svého vzniku.

Jednotky informace - bit a bajt a jejich násobné jednotky

Vše v počítači jsou jen nuly a jedničky. Počítače používají tzv. dvojkovou soustavu, jsou to digitální zařízení. Tento způsob se technicky dobře realizuje pomocí elektrického signálu (není napětí = 0, je napětí = 1) i pomocí mechanických prostředků (0 = není prohlubeň, 1 = je prohlubeň nebo výstupek). Jedna nula nebo jednička (něco je nebo není) je také nejmenší jednotka informace, která říká, který ze dvou stejně pravděpodobných stavů nastal.

Bity a jejich počet

Této nejmenší jednotce informace (je nebo není) se říká 1 bit (značka malé b). Tvůrci počítačů počítali, kolik různých znaků lze zakódovat pomocí kolika (jak dlouhého řetězce) nul a jedniček. Pokud by byla k dispozici pouze jedna nula či jednička, mohli byste zakódovat jen dva znaky. Třeba písmeno A by byla 0, B pak 1. Mohli byste potom zapsat třeba BABA, to by bylo (1010), nebo ABBA (0110), což je pro praktickou potřebu málo. Pokud byste měli k dispozici na každý znak dva bity, pak byste mohli stanovit, že 00 = A, 01 = B, 10 = C a 11 = D. (BABA by pak bylo 01,00,01,00.) Více kombinací ze dvou nul či jedniček však vytvořit nelze a naše abeceda má více než čtyři znaky. Je to tedy pořád málo.

Bajt

Kolik nul a jedniček na jeden znak je tedy třeba, aby bylo možné zakódovat celou abecedu, malá i velká písmena, číslice a ještě zbyla rezerva? Tvůrci počítačů se shodli na 8 bitech, takže třeba (00000001) by mohlo být písmeno A, (00000011) písmeno B, až po (11111111). Nemusíte počítat, kolik různých kombinací lze vytvořit z 8 nul a jedniček, je jich 256 (28 - obecně platí, že kombinací zakódovatelných dvěma znaky je 2N, kde N je počet bitů). Této kombinaci 8 nul a jedniček dali jméno bajt (z anglického byte) se značkou velké B. Jeden bajt je tedy řetězec osmi bitů.

Protože bajtů se do počítače vejde hodně, používají se násobné jednotky:

• 1 kilobajt (KB) je 1 024 bajtů (B).

• 1 megabajt (MB) je 1 048 576 B, tedy 1 024 KB.

• 1 gigabajt (GB) je 1 073 741 824 B, tedy 1 048 576 KB či 1 024 MB.

• 1 terabajt (TB) je 1 073 741 824 KB, tedy 1 048 576 MB či 1 024 GB.

Výklad přesného významu násobných jednotek podávaný výrobci hardware nebo odborníky v oblasti IT není jednotný. Pro jednoduchost stačí většinou uvažovat zaokrouhlené hodnoty, např. KB jako tisíc bajtů, MB jako milion bajtů a GB jako miliardu bajtů nebo tisíc MB.

Bezeztrátová a ztrátová komprese dat

Původní algoritmy záznamu datových souborů umožňovaly pouze jejich převod do digitální podoby. Každý bod obrázku byl zapsán na disk (formát BMP), každý tón zaznamenán (formát WAV), každý snímek videa uložen (formát AVI). I tak starší procesory zvládaly digitalizaci jen obtížně, často bylo potřeba dokoupit další specializovaná zařízení. Nekomprimované soubory zabíraly mnoho místa a práce s nimi byla pomalá.

A/D převodník převede zvuk nebo obraz do binárního souboru

Časem vznikly algoritmy, které umožňují zmenšit objem dat, zapisovaných na disk počítače. Známý je například formát ZIP, který umožňuje pomocí matematického modelu zmenšit velikost datového souboru. Velmi zjednodušeně řečeno,

S rostoucím počtem použitých bitů roste počet zakódovatelných možností

Pracujeme

1. CD má kapacitu 700 MB. Kolik je to gigabajtů?

2. Disk Blu-ray má kapacitu 25 GB. Kolik je to megabajtů a kolik terabajtů?

3. Některá bezdrátová zařízení mohou komunikovat až rychlostí 800 Mbit/s. Kolik je to MB za sekundu a kolik KB za sekundu?

Počítač představuje současně i multimediální centrum

Pracujeme

1. Najděte na webu, jakým způsobem pracuje ztrátový kompresní algoritmus JPEG určený pro ukládání obrázků. Existuje novější verze algoritmu JPEG?

2. Zjistěte, jaké kroky používá algoritmus MPEG-3 (MP3) pro kompresi zvuku.

3. Najděte srovnání kodeků MP3PRO, WMA a OGG Vobis.

4. Najděte popis algoritmu MPEG-2 pro ukládání videa.

5. Najděte popis rozdílů mezi kodeky MPEG-2 a DivX.

hledá v souboru více znaků za sebou a ukládá pak tyto znaky pomocí úsporného matematického popisu. Tyto algoritmy můžeme rozdělit na dvě skupiny:

• Bezeztrátová komprimace, jak je zřejmé z jejího názvu, uloží veškerá data původního souboru bez ztráty jediného písmene, bodu či zvuku.

• Ztrátová komprimace si pak dovolí v zájmu lepší komprese vypustit z původního souboru část informace. Je zřejmé, že asi nebude vhodná na texty. Ovšem u obrázků, kde se jedná o miliony bodů a u hudby, kde jsou opět miliony tónů, jejich malá změna nemusí mít na kvalitu výrazný vliv.

A/D převodník doplněný o procesor a složitý kompresní algoritmus umožní vytvořit řádově menší soubory

Všechny ztrátové kompresní metody využívají nedokonalost lidských smyslů, vypouštějí ze souborů informace, které naše oko nebo ucho nedokáže zachytit. Dále používají matematické postupy pro co nejúspornější uložení dat. Algoritmu pro převod se říká kodek (anglicky codec), program, který umí převádět data do komprimovaných formátů, se pak nazývá kodér (encoder).

Komprimované soubory s obrázky (formáty TIFF, GIF, JPEG a další), se zvuky (formáty MP3, WMA, OGG a další) a s videem (formáty MPEG2, DivX a další) se dnes používají zcela běžně. Stojí za nimi léta výzkumu i pokročilé technologie a umožňují dnes konvergenci (splývání) počítačů se spotřební elektronikou.

Zajímavost

Komprese při vytváření souboru a dekomprese při jeho přehrávání vyžadují velký výpočetní výkon zařízení. Komprese je několikanásobně náročnější na výpočet než dekomprese, naštěstí si na ni můžeme počkat. Dekomprese pak musí probíhat v reálném čase, není možné čekat na tóny písničky nebo snímky videa. Osobním počítačům trvalo dlouho, než jejich procesory získaly takový výkon, že přehrávání písničky ve formátu MP3 je zatíží pouze na 5 %.

Dnes jsou k dispozici jednoúčelové čipy, které umí přehrávat komprimované zvuky i video, obsahují tedy v sobě vlastně miniaturní počítač. Díky nim je na trhu široká nabídka přenosných MP3 i DVD přehrávačů.

Přenos dat a přenosové rychlosti

S rozvojem počítačových sítí koncem minulého století se rychlý a spolehlivý přenos dat stal nedílnou součástí IT. Data se samozřejmě přenášela od vzniku počítačů, ale většinou pouze mezi procesorem počítače a jeho pamětí a poté na nějaké trvalé úložiště.

Data v počítači jsou uložena pomocí nul a jedniček - jednotlivých bitů. V počátcích sítí však nebylo možné přenášet přímo digitální informace (tedy nuly a jedničky), bylo nutné je převádět na analogové křivky pomocí tzv. modemů a pak opět na digitální záznam. To samozřejmě bylo neefektivní a pomalé.

Dnes se informace přenášejí přímo pomocí jednotlivých bitů, nejčastěji s využitím tzv. paketů (balíčků) s daty, viz stranu XY. Rychlost přenosu dat v sítích se udává v bitech za sekundu a v násobných jednotkách, tedy kilobitech, megabitech a gigabitech za sekundu.

• Lokální (místní, tj. domácí, školní a firemní) sítě většinou využívají rychlost 100 Mbit/s nebo 1 Gbit/s.

• Páteřní sítě Internetu využívají stejné nebo i vyšší rychlosti (100 Mbit/s až 10 Gbit/s).

• Domácí počítač (školní síť apod.) je připojen k Internetu většinou výrazně nižší rychlostí, která se pohybuje řádově v megabitech za sekundu. Navíc tato rychlost nebývá garantována.

Pozor: Kapacity datových médií a velikosti souborů se neudávají v (mega) bitech, ale v (mega) bajtech. Již víme, že 1 bajt má 8 bitů. Pro přenos jednoho bajtu je tedy nutné přenést 8 bitů. Připojení s rychlostí 4 Mbit/s (megabity za sekundu) tedy po přepočtu na bajty má rychlost 4/8 = 0,5 MB/s (megabajtu za sekundu).

Příklad: Datový soubor o velikosti 600 MB chceme přenést po lince s rychlostí 10 Mbit/s. Jak dlouho bude teoreticky přenos trvat? Rychlost 10 Mbit/s znamená 1,25 MB/s, 600 MB/1,25 MB/s = 480 s, tedy 8 minut.

Vyzkoušejte

Zjistěte, jakou rychlostí je k Internetu připojena vaše škola a jakou linku využíváte pro připojení doma.

Vyšší úroveň

Proces komunikace, kód a Shannonův teorém

Zaznamenání a přenos informací (dat) se vždy děje pomocí nějakého kódu: biologické organismy používají pro svoji reprodukci nesmírně účinný kód DNA, lidé k dorozumívání používají určitý jazyk a písmo, digitální zařízení využívají binární zápis dat. V této kapitole bude řeč o technologiích a kódech, které využívají dnešní technická zařízení pro zpracování a přenos informací.

Obecný přenosový model komunikace ukazuje, jak se sdělení dostane od jeho zdroje až k příjemci:

Schéma procesu komunikace

Zdroj sdělení (jeho odesílatel) své sdělení zakóduje. Přenos sdělení probíhá mezi vysílačem a přijímačem pomocí domluveného sdělovacího kanálu (z hlediska technického je důležitý dostatečný odstup přenášeného signálu od šumu, který signál vždy ruší). Na straně příjemce dojde k dekódování sdělení. Pokud odesílateli dojde reakce na jeho sdělení, má zpětnou vazbu, která mu umožňuje posoudit, zda sdělení bylo přeneseno správně.

Digitální zařízení používají A/D převodník pro převod analogového signálu na tok nul a jedniček. Pro kvalitu záznamu je rozhodující tzv. vzorkovací frekvence, určení počtu měření původního signálu (viz výše princip digitalizace signálu). Jaká vzorkovací frekvence je nutná pro záznam určitého signálu vyjadřuje tzv. Shannonův teorém (také Shannonův-Nyquistův-Kotělnikův teorém).

Shannonův teorém říká: „Přesná rekonstrukce spojitého, frekvenčně omezeného signálu z jeho vzorků je možná tehdy, pokud byl vzorkován frekvencí alespoň dvakrát vyšší, než je maximální frekvence rekonstruovaného signálu.” Například pro záznam zvuku byla v CD přehrávačích použita vzorkovací frekvence 44,1 kHz, protože lidské ucho slyší zvuk maximálně o frekvenci 20 kHz a tedy 44,1 kHz stačí na záznam všech slyšitelných frekvencí i s malou rezervou.

Kontroly bezchybné komunikace, redundance a paritní bity

Digitální záznam umožňuje dokonalý přenos dat i dokonalé vytvoření nekonečného množství kopií z původního souboru. Ovšem pouze za předpokladu, že se při přenosu dat nezmění ani jediná nula nebo jednička. Protože se však data přenášejí pomocí reálných a tedy nedokonalých zařízení, je potřeba zajistit kontrolu bezchybného přenosu. Tato kontrola se realizuje pomocí nadbytečných, tzv. redundantních informací. Nejjednodušším příkladem může být kontrolní součet.

Řekněme, že přenášíme čísla mezi dvěma stanicemi. Vždy po určité skupině čísel pošleme jejich součet: [1, 8, 6, 9, 12, 24, 4] a [64]. Vysílací i přijímací stanice používají stejný algoritmus, vědí tedy, že vždy po šesti číslech bude jejich součet. Přijímač tedy po šesti číslech vypočítá jejich součet a porovná ho se součtem,

Zajímavost

Pojem kód je často spojován se šifrou, skrytým přenosem informací. Jeho význam je však obecnější: jedná se o jakýkoliv způsob záznamu informace, i bez úmyslu jejího utajení. Přesto je kód potřeba dobře znát pro porozumění informaci ve sdělení obsažené (pro její dekódování). Např. nápis čínským písmem není šifra, přesto je pro většinu z nás nečitelný, protože používáme jiný způsob kódování jazyka.

V devatenáctém století vymyslel Samuel Morse první široce rozšířený kód pro dálkové předávání zpráv pomocí elektrických impulsů telegrafu. Znaky jsou kódovány pomocí teček a čárek. Kód SOS ( • • • /---/ • • • ) by měl i dnes znát každý.

Pracujeme 1

1. Co znamená zkratka SOS?

2. Odpovězte na otázku: Co je to • / - • / - / • - • /---/----/ • • / • ?

3. Nakreslete konkrétní schéma procesu komunikace pro rozhovor dvou lidí v českém jazyce.

4. K čemu slouží a jak funguje Braillovo písmo?

Pracujeme 2

Pro ještě srozumitelný přenos hlasu (ne hudby) stačí přenášet frekvence do cca 3,4 kHz. Jakou vzorkovací frekvenci byste zvolili na základě Shannonova teorému?

Vyzkoušejte

Pokud je analogový signál slabý (tedy občas něco při přenosu vypadne), dojde ke zkreslení přenášených dat. Zkuste z předchozího textu odhadnout, co se stane v takovém případě se signálem digitálním. (U kterého se nesmí změnit ani bit, data tedy musí být přenesena dokonale.)

Pracujeme

1. Jaký kompresní poměr používá disk DVD, jestliže zobrazí snímek 720 x 576 bodů v 16,8 mil. barvách 25x za sekundu a na disk DVD se vejdou cca 3 hodiny záznamu?

2. Jak dlouho přenášeli první uživatelé elektronické pošty jednu zprávu po lince s rychlostí 16 kbit/s, pokud průměrná zpráva měla 2000 znaků a pro jejich kódování se používalo 8 bitů na jeden znak?

který dostane od vysílače. Může proto ověřit, zda data byla přenesena správně. Pokud součty nesouhlasí, zahodí většinou celou sekvenci a přenáší data znovu.

Samoopravný kód. Kontrolní součet umožňuje nejen ověřit, zda data byla přenesena správně, ale také opravit chyby. Pokud by například v předchozím příkladu jedno číslo ze šesti vypadlo, může ho přijímač ze součtu čísel vypočítat a nemusí data přenášet znovu.

Redundantní kód tedy obsahuje nadbytečné (ne zbytečné) informace, které však umožňují zachování obsahu dat. V praxi se používají jednoduché kódy pro přenos dat na základní úrovni bitů (tzv. paritní bity) i supersložité kódy na úrovni přenosu signálu například mezi Wi-Fi zařízeními, satelity apod.

Digitalizace podrobněji, potřebný počet bitů

Digitalizace tedy představuje vzorkování původního (analogového) signálu a jeho záznam pomocí toku nul a jedniček. V počítačových zařízeních se bity používají k záznamu všeho, textů, obrázků, zvuků i videa.

Jak již bylo zmíněno, zápisem pomocí dvou znaků o délce N pozic můžeme zakódovat 2N možností, kde N je počet bitů. Tedy třemi bity můžeme zapsat 23 = 8 možností (000, 001, 010, 100, 011, 101, 110, 111). Čtyřmi bity pak 16, pěti 32 atd. Ve výpočetní technice se nejčastěji setkáte s těmito hodnotami:

• 8 bitů (tedy 1 B, například [10011010]) umožňuje záznam 28 = 256 možností. (Jeden B [bajt] se dlouho používal pro záznam písmen v tzv. fontech True type, dnes používaná typová písma Open type většinou využívají 3 bajty na znak.)

• 16 bitů (tedy 2 B například [1001101010011010]) umožňuje záznam 216 = 65 536 možností. Dnes se tato hodnota používá jen výjimečně.

• 24 bitů (tedy 3 B například [100110101001101011110010]) umožňuje záznam 224 = 16,8 milionu možností. 24bitová barevná hloubka se často používá při záznamu obrázků i snímků videa.

• 32 bitů (4 B) nabízí cca 4,3 miliardy možností, používá se nejčastěji pro kódování barev.

Výběr počtu barev zobrazených na panelu LCD

Výpočet doby přenosu. Jestliže jsme schopni určit datovou velikost souboru a známe rychlost linky, je jednoduché určit dobu, za kterou se soubor po lince přenese. Je pouze nutné si hlídat, v jakých jednotkách se velikosti/rychlosti udávají a správně přepočítávat bity na bajty a naopak, bajty na kilo, mega, giga, tera bajty apod.

Příklad: Chceme přenést 100 obrázků z 10 Mpix digitálního fotoaparátu, který používá barevnou hloubku 16,8 mil. barev a ztrátovou kompresi JPeG s poměrem průměrně 1:10. Máme k dispozici linku o průměrné rychlosti 8 Mbit/s. Jak dlouho bude přenos probíhat?

Počet bodů obrázku známe (10 milionů), při 16,8 mil. barev potřebujeme na každý bod 24 bitů. Tedy po stisknutí spouště fotoaparátu vznikne 240 milionů bitů obrazových dat, ovšem při uložení na paměťovou kartu fotoaparátu dojde ke kompresi JPG 1 : 10 a soubor s obrázkem na kartě bude proto mít 24 megabitů, tj. 3 MB (megabjty). Obrázků je 100, celkový datový objem tedy bude 2 400 megabitů dat, linka má rychlost 8 megabitů za sekundu, přenos tedy bude trvat 2400/8 = 300 s, tj. pět minut.

Počítat můžeme také v (mega) bajtech, obrázek po expozici bude mít 30 MB, uložený na kartu ve formátu JPG 3 MB. Stovka obrázků zabere 300 MB, rychlost linky je 1 MB/s, přenos tedy bude trvat 300 s.

Dvojková a šestnáctková soustava

Způsob kódování čísel pomocí dvou znaků se v matematice nazývá dvojková, nebo také binární soustava. Při práci se setkáte se zápisem hodnot i v šestnáctkové (hexadecimální) soustavě.

• V obvyklé desítkové soustavě se čísla zapisují pomocí deseti číslic (0...9). Např. číslo 1 623 je součtem: 1 x 1 000 + 6 x 100 + 2 x 10 + 3 x 1, neboli 1 x 103 + 6 x 102 + 2 x 101 + 3 x 10. Číslo se tedy skládá z mocnin (řádů) deseti násobených jejich pozičními hodnotami.

Ve dvojkové soustavě bude stejné číslo vyjádřeno pomocí mocnin čísla 2 násobených opět jejich pozičními hodnotami, ty však nyní mohou nabývat pouze dvou stavů, 0 a 1. Číslo 1 623 je vyjádřeno takto:

V šestnáctkové soustavě se používá 16 znaků, číslice 0...9 a písmena A...10, B...11, C...12, D...13, E...14, F...15. Číslo 1 623 je vyjádřeno takto:

neboli 110010101112 v dvojkové soustavě je 1 62310 v desítkové soustavě a 65716 v šestnáctkové soustavě.

Zajímavost

Převod čísla z desítkové do dvojkové soustavy není složitý: stále číslo dělíme dvěma a zbytek po dělení zapisujeme zprava jako vyjádření čísla ve dvojkové soustavě. Např. 1623 : 2 = 811, zbytek je 1 (zapíšeme 1), 811 : 2 = 405, zbytek je 1 (zapíšeme tedy 11), 405 : 2 = 202, zbytek 1 (111), 202 : 2 = 101, zbytek 0 (0111), 101 : 2 = 50, zbytek 1 (10111), 50 : 2 = 25, zbytek 0 (010111), 25 : 2 = 12, zbytek 1 (1010111), 12 : 2 je 6, zbytek 0 (01010111), 6 : 2 je 3, zbytek 0 (001010111), 3 : 2 = 1, zbytek 1 (1001010111), 1 : 2 = 0, zbytek 1, (11001010111). 162310 = 110010101112.

Převod čísla z desítkové do šestnáctkové probíhá stejně jako do dvojkové, pouze samozřejmě původní číslo dělíme 16 a opět zapisujeme zbytek po dělení zprava.

1.2 Informační zdroje a jejich kvalita

V této kapitole se zamyslíme nad pojmem informace v širších souvislostech než pouze z hlediska práce s počítačem. Co jsou to vlastně informace, jak je získáváme a co se s nimi dá dělat?

Informační zdroje a jejich vlastnosti

Každý den máme na výběr mezi mnoha informačními zdroji, které lze rozdělit na základě mnoha kritérií, například podle:

• smyslů zapojených do komunikace (zvuková nebo obrazová sdělení...),

• míry masovosti (televize, výklad ve škole, dialog s jedním člověkem...),

• komunikačního média (noviny, časopisy, televize, Internet...),

• periodicity (jednorázové, týdenní, měsíční...).

Vyzkoušejte

1. Který program v systému Windows (Linux, Mac OS) ukládá napsaný text ve formátu holého textu (TXT), bez možnosti jakéhokoliv formátování?

2. Kolik možností (písmen, barev apod.) je možné zakódovat dvěma bajty? Kolik třemi bajty?

Vědecká kalkulačka z příslušenství Windows umožňuje přepočty mezi číselnými soustavami

Pracujeme

1. S využitím programu Kalkulačka zjistěte binární i hexadecimální vyjádření těchto čísel: 0, 10, 100, 128, 170, 255, 1 000 a 150 000.

2. Souřadnice barev v barevném modelu RGB se často zapisují hexadecimálně. Jaké složení budou mít tyto barvy: a) FF FF FF, b) AA 00 55 c) 00 00 00? Zjistěte také, jaké barvy jsou zde zapsány.

3. Ověřte výpočtem, že číslo 245 je ve dvojkové soustavě 11110101 a v šestnáctkové F5.

4. Převeďte do desítkové soustavy binární číslo 110011001 a hexadecimální číslo E2E.

Zajímavost

Hlavní informační zdroje se v průběhu historie samozřejmě mění. Nejdříve to byla ústní komunikace mezi dvěma nebo několika jedinci. Vznik písma představoval zásadní přelom ve sdílení informací, znalosti se najednou daly uchovávat po mnoho generací a přenášet v prostoru. Dlouhou dobu se jednalo o písmo ručně vytvářené, knihy proto byly drahé a obtížně dostupné, obyčejní lidé proto dostávali informace pomocí vyhlášek a nařízení (ty byly nejdříve předčítané, později psané). Vynález knihtisku v patnáctém stolení umožnil řádové snížení ceny a násobné zvýšení objemu nyní již tištěných knih.

Zajímavost

Tiskoviny byly pět století dominantní, postupně se ke knihám přidaly noviny a časopisy, a až v minulém stolení se prosadila elektronická média (rozhlas a později televize). V současnosti změnil přístup k informacím Internet a jeho služba web (WWW) a vůbec přenos informací pomocí počítačových technologií. Zásadní změnou je skutečnost, že model, kdy někdo (vydavatel, TV stanice) šíří informace k pasivním příjemcům, se díky webu změnil, příjemci sdělení si aktivně vyhledávají a vybírají zprávy, které je zajímají nebo které aktuálně potřebují.

Knihovny často nabízejí příjemné prostředí

Vyzkoušejte

1. Které, ve své době převratné, zásady (používané dodnes) navrhoval pro výuku ve školách Jan Amos Komenský?

2. Zjistěte, jak se liší způsob zobrazování na displeji specializované čtečky elektronických knih od způsobu fungování běžného LCD monitoru?

Tip

Užitečné informace obsahuje portál Knihovny.cz (http://www.knihovny.cz). Najdete tam mimo jiné odkazy na různé knihovnické on-line databáze.

Knihovny a jimi poskytované služby

Představte si, že vás zaujaly myšlenky J. A. Komenského a chcete se více dozvědět o jeho životě. V tu chvíli potřebujete zdroj dostatečného množství kvalitních a relevantních informací. Čekat na pořad v televizi byste mohli třeba několik let. Pokud máte přístup k Internetu, můžete se pokusit vyhledat příslušné informace na webu. O většině témat získáte základní přehled, ale množství informací, které jsou na něm zpřístupněny, se zatím ještě nemůže vyrovnat tomu, co můžete najít v knihách.

Vynález písma a posléze rozvoj knihtisku ovlivnily vývoj celého lidstva, protože knihy umožnily zachycení a přenos obrovského množství znalostí mezi generacemi i mezi vzdálenými místy. Kniha má vlastnosti, díky kterým vydrží ještě mnoho let (a snad nezmizí nikdy): příjemně se s ní pracuje, nevyžaduje napájení ani datový kabel, kvalita zobrazení písmen a obrázků je oproti současným počítačům řádově vyšší, má často nemalou uměleckou hodnotu, rozvíjí smysl pro estetiku...

Potřebné informace najdete v knize, kde ale najdete tu správnou knihu? Samozřejmě že v knihovně. V České republice funguje systém knihoven světové úrovně. Knihu, kterou potřebujete, vám pomohou získat tyto knihovnické nástroje a služby:

• Katalog knih, autorů a nakladatelství. Pokud víte, jak se kniha jmenuje nebo kdo ji napsal, můžete ji v katalogu knihovny snadno vyhledat a objednat. U mnoha knihoven to lze udělat i na dálku po Internetu

- lehce tak zjistíte, že vámi požadovanou knihu mají třeba ve Vědecké knihovně v Olomouci, aniž byste ji osobně navštívili. Společné prohledávání katalogu mnoha českých knihoven umožňuje především server Jednotná informační brána (http://www.jib.cz).

• Klíčová slova. U všech knih obsažených v katalozích jsou uvedena tzv. klíčová slova. Např. u této knihy budou nejspíš slova: učebnice - počítače

- hardware - software apod. Pokud zadáte do knihovnického vyhledávacího programu nějaká klíčová slova, obdržíte seznam knih, které jim odpovídají.

• Meziknihovní výpůjční služba. Pokud zjistíte, že kniha někde existuje, můžete si ji (zdarma) objednat v místní knihovně, která ji objedná z knihovny, která ji má, a kniha je během několika dnů zaslána do vaší knihovny. Pokud tedy dokážete určit předmět svého zájmu, můžete k němu vyhledat knihu z knihoven po celé republice.

Velké knihovny provozují kromě výpůjční služby navíc studovnu, do které si můžete půjčit ke studiu vzácnější knihy (nebo časopisy a CD). Studovny bývají vybaveny katalogy (počítačovými i tištěnými) a často dávají k dispozici počítače připojené k Internetu.

Zajímavost

Knihy se dnes dají používat i v elektronické podobě (tzv. e-books), ať už pomocí specializovaných čtecích zařízení nebo na osobních počítačích. Čtečky knih většinou využívají tzv. elektronický papír, což je tenká fólie s mikroskopickými kapslemi, která funguje jako zobrazovací zařízení. Ušetřit dřevo by mohly např. e-noviny využívající tuto technologii, které si každý den naplníte novým obsahem.

Pracujeme

1. Najděte popis starověké historie i současného stavu Alexandrijské knihovny.

2. Projekt Gutenberg (http://promo.net/pg nebo http://www.gutenberg.org) představuje pokus o digitální knihovnu světové literatury, která je dostupná zdarma. Zkuste v ní najít americkou deklaraci nezávislosti (Declaration of Independence).

3. Který panovník jako první zakládal veřejné knihovny v českých zemích?

4. Jaký je rozdíl mezi archivem a knihovnou?

5. Najděte v katalogu Státní technické knihovny, zda obsahuje nějakou knihu od Alberta Einsteina. Najděte v katalogu stejné knihovny, zda obsahuje nějakou knihu o Albertu Einsteinovi v českém jazyce. Pokud ano, je k dispozici? Půjčí vám ji domů, nebo pouze do studovny?

6. Zjistěte v katalogu Státní technické knihovny, zda obsahuje nějakou dizertační práci na téma entropie v českém jazyce vydanou po roce 2000. Pokud ano, je k dispozici? Je možné si ji půjčit domů, nebo pouze do studovny?

7. Má vaše školní knihovna studovnu? Má knihovna ve městě, kde se nachází vaše škola, studovnu? Pokud ano, kdy má otevřeno?

Katalog a fulltext