История развития средств вычислительной техники

Введение. Основные понятия.

Информация

Мы живем в духовном и материальном мире. Взаимодействие физических объектов между собой осуществляется с помощью сигналов различной природы. Существует общенаучное определение термина «сигнал».

Сигнал – процесс несущий сообщение о каком-либо событии.

Сигналом является любая физическая величина (например, тем­пература, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т. д.), изменяющаяся во времени. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какие-то данные.

При взаимодействии сигналов с физическими объектами в последних возникают определенные изменения их свойств. Это явление называется регистрацией сигналов.

Зарегистрированные сигналы называются данными. Регистрация данных осуществляется на каком-либо носителе данных. Перенос данных с одного носителя на другой сопровождается преобразованием данных в сигналы и обратно.

Данные несут в себе информацию о событиях. Однако данные не тождественны информации.

Во-первых, понятие информации должно быть связано с объектом, способным воспринимать сигналы по доступным ему каналам и преобразовывать их в данные.

Во-вторых, при получении данных, внутри объекта всегда должен начинаться информационный процесс, заключающийся в том, что эти данные сравниваются с теми данными, которые имеются в памяти объекта и имеют непосредственное отношение к полученным данным. В случае отсутствия данных в памяти объекта или их несовпадения с полученными данными информационный процесс вызывает запись новых данных в память объекта. При этом априорные данные в памяти объекта сохраняются. В случае совпадения данных информационный процесс завершается без записи поступивших данных в память объекта, т.е. без выработки информации.

Таким образом, информация вырабатывается объектом при несовпадении полученных данных с данными, хранимыми в его памяти. Только при наличии такого несовпадения формируется сигнал модификации данных, по которому производится запись информации в память объекта. По окончании процесса записи информация превращается в данные. Таким образом, информация не является статическим объектом – она динамически меняется и существует только с момента окончания сравнения поступивших на объект данных с данными, хранимыми в памяти объекта, до момента записи новых данных в память объекта.

Исходя из этого, можно утверждать, что информация обладает только одним свойством – наличие информации. Все свойства, которые до сих пор приписывались информации, такие, например, как объективность, полнота, достоверность, адекватность, доступность, актуальность должны быть отнесены к свойствам данных.

В-третьих, сигнал модификации данных, кроме записи в память новых данных, должен вызывать процесс анализа совокупных данных, относящихся к одному событию, адекватными методами с последующим принятием решения и выполнения действий в соответствии с этим решением. Выполнение объектом этих действий завершает информационный процесс, вызванный поступлением на объект новых данных.

Исходя из приведенных рассуждений, можно дать следующее общенаучное определение информации:

Информация - это данные, полученные объектом и отсутствующие в его памяти, вызывающие последующее запоминание новых данных, запуск механизма анализа совокупных данных, относящихся к одному событию, принятия решения и выполнения объектом действий в соответствии с принятым решением.

С позиции лингвистики можно дать следующее определение информации: информация – это данные, формирующие новый мыслительный образ.

Количественное выражение новых данных определяет количество информации,полученной объектом, которое на синтаксическом уровнеопределяет объем памяти, необходимый для размещения новых данных. В современных ЭВМ объем памяти измеряется в битах. Их этого следует, что единицей измерения информации и данных является бит.

Так как информация вырабатывается объектом, определим требования к объекту, способному вырабатывать информацию:

1 Объект должен воспринимать сигналы по своим каналам и преобразовывать их в данные.

2 Объект должен обладать возможностью сравнения входных данных с данными, хранимыми в его памяти и имеющими отношение к входным данным.

3 Объект должен обладать возможностью сохранения новых данных, поступивших на его вход, в своей памяти.

4 Объект должен иметь механизм анализа совокупных данных, относящихся к одному событию, и принятия решения.

5 Объект должен обладать способностью выполнения определенных действий в соответствии с принятым решением.

В настоящее время известно, что приведенным требованиям удовлетворяют все объекты живой природы, начиная от человека и заканчивая отдельной растительной клеткой. Достижения генетики убедительно это доказывают путем извлечения из клеток какого-либо организма гена или группы генов, соединения их с определенными молекулами нуклеиновых кислот и внедрения полученных гибридных молекул в клетки другого организма. Элементами памяти здесь, несомненно, являются молекулы ДНК, а данными – гены.

Из технических устройств поставленным требованиям удовлетворяют устройства искусственного интеллекта, при условии реализации в них алгоритма вышеприведенного информационного процесса.

Информатика

Информатика — это техническая наука, систематизирующая приемы создания, хранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислитель­ной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управ­ления ими.

Из этого определения видно, что информатика очень близка к технологии, поэтому ее предмет нередко называют информационной технологией.

Предмет информатики составляют следующие понятия:

1) аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;

2) программное обеспечение средств вычислительной техники;

3) средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;

4)средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.

Как видно из этого списка, в информатике особое внимание уделяется вопросам взаимодействия. Для этого даже есть специальное понятие — интерфейс. Методы и средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами называют пользовательским интерфейсом. Соответственно, существуют аппаратные интерфейсы, программные интерфейсы и аппаратно-программные интерфейсы.

Основной задачей информатики является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель система­тизации состоит в выделении, внедрении и развитии передовых, наиболее эффектив­ных технологий, в автоматизации этапов работы с данными, а также в методическом обеспечении новых технологических исследований.

Слово информатика происходит от французского слова Informatique, образован­ного в результате объединения терминов Information {информация} и Automatique {автоматика). Дословный перевод определяет информатикукак науку об автоматической обработке инфор­мации.

История развития средств вычислительной техники

Поколения ЭВМ

За время развития компьютерных технологий были сконструированы сотни или даже тысячи различных ЭВМ. Мы кратко рассмотрим лишь ключевые этапы, повлиявшие на историю создания современных компьютеров. В этом плане обычно выделяют несколько поколений ЭВМ.

Нулевое поколение - механические компьютеры (1642-1945). Эти машины работали на основе шестеренок и ручного привода. Они выполняли небольшое количество арифметических операций. К их создателям относятся: французский ученый Блез Паскаль (в его честь назван язык программирования), великий немецкий математик Готфрид Вильгельм Лейбниц, профессор математики Кембриджского университета Чарльз Бэббидж. Последний разработал аналитическую машину. Она содержала 4 компонента: запоминающее устройство (память), вычислительное устрой­ство, устройство ввода (для считывания перфокарт), устройство вывода (перфо­ратор и печатающее устройство). Главное преимущество аналитической машины заключалось в том, что она могла выполнять не одну и ту же, а разные задачи. Она считывала команды с перфокарт и выполняла их. Поскольку эта аналитическая машина программировалась на ассемблере, ей было необходимо программное обеспечение. Чтобы его создать, Бэббидж нанял Аду Августу Ловлейс, дочь знаме­нитого поэта Байрона. Ада Ловлейс была первым в мире программи­стом. В ее честь назван современный язык программирования Ada.

Первое поколение - компьютеры на электронных лампах (1945-1955). Наиболее известным их создателем является один из самых знаменитых математиков Джон фон Нейман. Его проект известен сейчас как фон-неймановская вычислительная машина. Ее архитектура в значительной мере используется и сейчас. Она содержит 4 основные части: память, арифметико-логическое устройство, устройство управления, устройства ввода-вывода. К 1953 году относится начало деятельности фирмы IBM в области создания ЭВМ.

Второе поколение - ЭВМ на транзисторах (1955-1965). Транзистор был изобретен сотрудниками Bell Laboratories Джоном Бардином, Уолтером Браттейном и Уильямом Шокли, которые получили за это в 1956 г. Нобелевскую премию в области физики. В этот период в качестве создателей компьютеров фигурируют уже в основном фирмы США. Наиболее известными стали: DEC (Digital Equipment Corporation) - миникомпьютер PDP-8; IBM (International Business Machines) - IBM-7094; CDC (Control Data Corporation) - машина 6600 с высокой степенью параллелизма, разработчиком которой является Сеймур Крей, который впоследствии занимался созданием суперкомпьютеров. Следует также упомянуть компьютер Burroughs B5000, который был создан с аппаратной поддержкой компилятора Algol 60 – предшественника Pascal.

Третье поколение - ЭВМ на интегральных схемах(1965-1980). Изобретение кремниевой интегральной схемы в 1958 году (Роберт Нойс) позволило помещать десятки транзисторов на одной небольшой микросхеме. Такие компьютеры были меньшего размера, работали быстрее и стоили дешевле своих предшественников. В этот период лидировала IBM с серией System/360, основными достижениями которой являлась совместимость (единый язык ассемблера) и мультизадачность. В области миникомпьютеров наиболее известна марка PDP-11 фирмы DEC.

Четвертое поколение – компьютеры на сверхбольших интегральных схемах – СБИС (1980 - …). Появление таких схем дало возможность размещать на одной плате сначала десятки тысяч, затем – сотни тысяч, и, наконец, миллионы транзисторов. Цены и размеры компьютеров уменьшились до такой степени, что их приобретение стало доступным не только фирмам, но и частным лицам. Наступила эра персональных компьютеров.

Одним из первых и самых известных ПК был Apple, разработанный Стивом Джобсом и Стивом Возняком (сейчас – серия Macintosh). Фирма Apple одно время была серьезным конкурентом IBM, которая поначалу несколько задержалась с разработкой ПК. В дальнейшем персональные компьютеры IBM PC стали самыми покупаемыми. Они были созданы не с нуля, а на основе уже производимых компонентов, в частности, процессоров фирмы Intel. В отличие от Apple, IBM опубликовала свои проекты, что привело к появлению клонов IBM PC, производимых другими фирмами. Это способствовало массовому производству и распространению IBM – совместимых ПК.

Первый IBM PC (1981г.) был укомплектован операционной системой MS-DOS, разработанной тогда еще мелкой фирмой Microsoft. Затем IBM и Microsoft совместно разработали OS/2 с графическим интерфейсом, аналогичным Apple Macintosh. Далее Microsoft занялась разработкой собственной системы Windows, что и привело ее к сегодняшнему успеху.

Одной из важнейших тенденций, связанных с разработкой ЭВМ 4 поколения, является специализация, т.е. создание различных уровней архитектуры компьютера разными производителями.

Типы компьютеров

В настоящее время наиболее известны персональные компьютеры, однако существуют и другие типы машин. Главная тенденция их развития – способность производителей помещать все больше транзисторов на микросхему. Компьютерные технологии эволюционируют двумя путями – уменьшение размеров и цен при более или менее постоянной мощности или увеличение мощности при относительно постоянных цене и размерах. В результате можно привести следующую приблизительную классификацию современных ЭВМ.

Математические первоисточники

Возможность представления любых чисел двоичными цифрами впер­вые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в 1666 году Он пришел к двоич­ной системе счисления, занимаясь исследова­ниями философской концепции единства иборьбы противоположностей. Попытка пред­ставить мироздание в виде непрерывного вза­имодействия двух начал («черного» и «белого», мужского и женского, добра и зла) и приме­нить к его изучению методы «чистой» матема­тики подтолкнули Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных с помощью нулей и единиц. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности использования дво­ичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для механических устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы.

В середине ХIХ века английский ученый Джордж Буль разработал основы логической алгебры, которую затем назвали булевой алгеброй. Четыре основные операции: И,ИЛИ,НЕи ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ — лежат в основе работы всех видов процессоров совре­менных компьютеров.

Лекция 2

Представление данных в ЭВМ

Для автоматизации работы с данными, относящимися к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления — для этого обычно используется прием кодирования, то есть выражение данных одного типа через данные другого типа. Естественные человеческие языки — это не что иное, как системы кодирования понятий для выражения мыслей посредством речи. К языкам близко примыкают азбуки.

Та же проблема универсального средства кодирования достаточно успешно реализу­ется в отдельных отраслях техники, науки и культуры. В качестве примеров можно привести систему записи математических выражений, телеграфную азбуку, морскую флажковую азбуку, систему Брайля для слепых и многое другое.

Своя система существует и в вычислительной технике — она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух знаков: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по английски — binary digit или, сокращенно, bit (бит).

Одним битом могут быть выражены два понятия: 0 или 1 (да или нет, черное или белое, истина или ложь и т. п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных понятия:

00 01 10 11

Тремя битами можно закодировать восемь различных значений: 000 001 010 011 100 101 110 111

Увеличивая на единицу количество разрядов в системе двоичного кодирования, мы увеличиваем в два раза количество значений, которое может быть выражено в данной системе, то есть общая формула имеет вид:

N=2^m, где:

N — количество независимых кодируемых значений;

т — разрядность двоичного кодирования, принятая в данной системе.

Поскольку бит — слишком мелкая единица измерения, на прак­тике чаще применяется более крупная единица — байт, равная восьми битам.

Используются также более крупные производные единицы данных:

Килобайт (Кбайт) = 1024 байт = 2¹⁰ байт;

Мегабайт (Мбайт) = 1024 Кбайт = 2²⁰ байт;

Гигабайт (Гбайт) = 1024 Мбайт = 2³⁰ байт.

В последнее время в связи с увеличением объемов обрабатывае­мых данных входят в употребление такие производные едини­цы, как:

Терабайт (Тбайт) = 1024 Гбайт = 2⁴⁰ байт;

Петабайт (Пбайт) = 1024 Тбайт = 2⁵⁰ байт;

Экзабайт (Эбайт) = 1024 Пбайт = 2⁶⁰ байт.

Кодирование символьных данных

Если каждому символу алфавита сопоставить определенное целое число (например, порядковый номер), то с помощью двоичного кода можно кодировать и текстовую информацию. Восьми двоичных разрядов достаточно для кодирования 256 различных символов. Этого хватит, чтобы выразить различными комбинациями восьми битов все символы английского и русского языков, как строчные, так и прописные, а также знаки препинания, символы основных арифметических действий и некоторые обще­принятые специальные символы, например символ «§».

В настоящее время во всем мире введена в действие система кодирования ASCII (American Standard Code for Information Interchange — стандартный код информационного обмена). В системе ASCII закреплены две таблицы кодирования — базовая и расширенная. Базовая таблица закрепляет значения кодов от 0 до 127, а расширенная относится к символам с номерами от 128 до 255.

Первые 32 кода базовой таблицы, начиная с нулевого, отданы производителям компьютеров и печатаю­щих устройств. В этой области размещаются так называемые управляющие коды, которым не соответствуют никакие символы языков, и, соответственно, эти коды не выводятся ни на экран, ни на устройства печати, но ими можно управлять тем, как производится вывод прочих данных.

Начиная с кода 32 по код 127 размещены коды символов английского алфавита, знаков препинания, цифр, арифметических действий и некоторых вспомогательных символов. Базовая таблица кодировки ASCII приведена в таблице.

Универсальная система кодирования текстовых данных

Если проанализировать организационные трудности, связанные с созданием единой системы кодирования текстовых данных, то можно прийти к выводу, что они вызваны ограниченным набором кодов (256). В то же время очевидно, что если, например, кодировать символы не восьмиразрядными двоичными числами, а числами с большим количеством разрядов, то и диапазон возможных значений кодов станет намного больше. Такая система, основанная на 16-разрядном кодировании символов, полу­чила название универсальной — UNICODE. Шестнадцать разрядов позволяют обес­печить уникальные коды для 65 536 различных символов — этого поля достаточно для размещения в одной таблице символов большинства языков планеты.

Несмотря на тривиальную очевидность такого подхода, простой механический переход на данную систему долгое время сдерживался из-за недостаточных ресурсов средств вычислительной техники (в системе кодирования UNICODE все текстовые документы автоматически становятся вдвое длиннее). Во второй половине 90-х годов технические средства достигли необходимого уровня обеспеченности ресурсами, и сегодня мы наблюдаем постепенный перевод документов и программных средств на универсальную систему кодирования. Для индивидуальных пользователей это еще больше добавило забот по согласованию документов, выполненных в разных системах кодирования, с программными средствами, но это надо понимать как труд­ности переходного периода.

Кодирование графических данных

Если рассмотреть с помощью увеличительного стекла черно-белое графическое изображение, напечатанное в газете или книге, то можно увидеть, что оно состоит из мельчайших точек, образующих характерный узор, называемый растром Поскольку линейные координаты и индивидуальные свойства каждой точки (яркость) можно выразить с помощью целых чисел, то можно сказать, что растровое кодиро­вание позволяет использовать двоичный код для представления графических дан­ных. Общепринятым на сегодняшний день считается представление черно-белых иллюстраций в виде комбинации точек с 256 градациями серого цвета, и, таким образом, для кодирования яркости любой точки обычно достаточно восьмиразряд­ного двоичного числа.

Для кодирования цветных графических изображений применяется принцип декомпо­зиции произвольного цвета на основные составляющие. В качестве таких состав­ляющих используют три основные цвета: красный {Red, R), зеленый (Green, G) и синий (Blue, В). На практике считается (хотя теоретически это не совсем так), что любой цвет, видимый человеческим глазом, можно получить путем механического смешения этих трех основных цветов. Такая система кодирования называется систе­мой RGB по первым буквам названий основных цветов.

Если для кодирования яркости каждой из основных составляющих использовать по 256 значений (восемь двоичных разрядов), как это принято для полутоновых черно-белых изображений, то на кодирование цвета одной точки надо затратить 24 разряда. При этом система кодирования обеспечивает однозначное определение 16,5 млн различных цветов, что на самом деле близко к чувствительности челове­ческого глаза. Режим представления цветной графики с использованием 24 дво­ичных разрядов называется полноцветным (True Color).

Каждому из основных цветов можно поставить в соответствие дополнительный цвет, то есть цвет, дополняющий основной цвет до белого. Нетрудно заметить, что для любого из основных цветов дополнительным будет цвет, образованный суммой пары остальных основных цветов. Соответственно, дополнительными цветами являются: голубой (Cyan, С), пурпурный (Magenta, М) и желтый (Yellow, Y). Принцип декомпозиции произвольного цвета на составляющие компоненты можно приме­нять не только для основных цветов, но и для дополнительных, то есть любой цвет можно представить в виде суммы голубой, пурпурной и желтой составляющей. Такой метод кодирования цвета принят в полиграфии, но в полиграфии используется еще и четвертая краска — черная (Black, К). Поэтому данная система кодирования обозначается четырьмя буквами CMYK (черный цвет обозначается буквой К, потому, что буква В уже занята синим цветом), и для представления цветной графики в этой системе надо иметь 32 двоичных разряда. Такой режим тоже называется полно­цветным (True Color).