Начальный этап развития вычислительной техники

Все началось с идеи научить машину считать или хотя бы складывать многоразрядные целые числа. Ещё приблизительно в 1500 г. знаменитый деятель эпохи Возрождения Леонардо да Винчи разработал эскиз 13-разрядного суммирующего устройства, что явилось первой дошедшей до нас попыткой решить указанную задачу. Первую же действующую суммирующую машину построил в 1642 г. Блез Паскаль - знаменитый французский физик, математик и инженер. Его 8-разрядная машина сохранилась до наших дней. Только через 250 лет был создан практически полезный и широко используемый агрегат - арифмометр (механическое вычислительное устройство, способное выполнять 4 арифметических действия). С тех пор над созданием и совершенствованием механических вычислительных устройств трудились, как ученые с мировыми именами, так и сотни людей, оставшиеся неизвестными. В 1822 г. Чарльз Бэббидж - английский математик и инженер спроектировал и почти 30 лет совершенствовал машину, которую впоследствии назвал аналитической. В аналитическую машину были заложены принципы, ставшие фундаментальными для вычислительной техники:

• автоматическое выполнение операций;
• работа по вводимой программе;
• необходимость специального устройства - памяти - для хранения данных (Бэббидж назвал его складом).

Эти революционные идеи натолкнулись на невозможность их реализации на основе механической техники, ведь до появления электромотора оставалось ещё полвека, а первой электронной радиолампы - почти век. Они настолько опередили своё время, что были в значительной мере забыты и переоткрыты в следующем столетии. Подлинная революция в вычислительной технике произошла в связи с применением электронных устройств. работа над ними началась в конце 30-х годов одновременно в США, Германии, Великобритании и СССР.
Информатика как самостоятельная отрасль научного знания и область практической деятельности появилась во второй половине ХХ в. Ее истоками можно считать:

• теорию информации, тесно связанную с теорией связи в технических системах (телефон, телеграф, радиосвязь), в частности, математическую теорию связи (Клод Шеннон, 1948 г.);
• кибернетику, исследующую общие законы управления в системах различной природы, основы которой заложил Ноберт Винер (1948 г.);
• теорию автоматов, основы которой заложил Джон фон Нейман (1946 г.);
• теорию алгоритмов (Н. Вирт, Э. Дейкстра, А.П. Ершов, Д. Кнут и др.).

Компьютерные средства работы с информацией как основной объект изучения современной информатики представляет собой неразрывное единство трех частей – технического, программно- го и алгоритмического обеспечения информационных процессов и информационных систем. Основной вопрос информатики – каковы информационные процессы и как они могут быть эффективно автоматизированы? Например, для создания текстового документа необходимо овладеть технологией обработки текстовой информации, для вычисления в электронных таблицах – технологией обработки числовой информации. Поиск информации в глобальной се-ти Интернет требует применения коммуникативных технологий (например, поисковых программ).

Поколения ЭВМ

Первое поколение - компьютеры на электронных лампах (1946-1956г.). За точку отсчёта эры ЭВМ обычно принимают 15 февраля 1946 года, когда учёные Пенсильванского университета США ввели в строй первый в мире электронный компьютер ЭНИАК. В нём использовалось 18 тысяч электронных ламп. Машина занимала площадь 135 м2, весила 30 тонн и потребляла 150 кВт электроэнергии. Она использовалась для решения задач, связанных с созданием атомной бомбы. И хотя механические и электромеханические машины появились значительно раньше, все дальнейшие успехи ЭВМ связаны именно с электронными компьютерами.
В СССР в 1952 году академиком С.А. Лебедевым была создана самая быстродействующая в Европе ЭВМ БЭСМ (Большая электронно-счетная машина). Быстродействие первых машин было несколько тысяч операций в секунду.
Второе поколение - компьютеры на транзисторах -полупроводниковых приборах (1956-1964г.). Компьютеры на транзисторах резко уменьшили габариты, массу, потребляемую мощность, повысили быстродействие и надёжность. Типичная отечественная машина (серий "Минск", "Урал") содержала около 25 тысяч транзисторов. Лучшая наша ЭВМ БЭСМ-6 имела быстродействие 1 млн. оп/с.
Третье поколение - компьютеры на микросхемах с малой степенью интеграции (1964-1971г.). Микросхема была изобретена в 1958 году в США. Микросхемы позволили повысить быстродействие и надёжность ЭВМ, снизить габариты, массу и потребляемую мощность. Первая ЭВМ на микросхемах IBM-360 была выпущена в США в 1965 году, как и первая мини-ЭВМ PDP-8 размером с холодильник. В СССР с 1972 года. выпускались аналоги американских IBM-360, IBM-370.большие ЭВМ третьего поколения серии ЕС (ЕС-1022 - ЕС-1060).
Четвёртое поколение - компьютеры на микропроцессорах (1971-настоящее время). Микропроцессор - это арифметическое и логическое устройство, выполненное чаще всего в виде одной микросхемы с большой степенью интеграции. Применение микропроцессоров привело к резкому снижению габаритов, массы и потребляемой мощности ЭВМ, повысило их быстродействие и надёжность. Первый микропроцессор Intel-4004 был выпущен в США фирмой Intel в 1971 году. Его разрядность была 4 бита. В 1973г. был выпущен 8-битовый Intel-8008, а в 1974г. Intel-8080. В 1975г. появился первый в мире персональный компьютер Альтаир-8800, построенный на базе Intel-8080. Началась эра персональных ЭВМ. В 1976г. появился персональный компьютер Apple на базе микропроцессора фирмы Motorola, который имел большой коммерческий успех. Он положил начало компьютерам серии Макинтош. Первый компьютер фирмы IBM с названием IBM PC появился в 1981 году. Он был сделан на базе 16-битового микропроцессора Intel-8088 и имел ОЗУ 1 Мб (у всех других машин было тогда ОЗУ 64 Кб). Фактически он стал стандартом персонального компьютера. Сейчас IBM-совместимые компьютеры составляют 90% всех производимых в мире персональных компьютеров. В 1983г. на базе Intel-8088 был выпущен компьютер IBM PC/ХT, имеющий жёсткий диск. В 1982г. был сделан 16-битовый процессор Intel-80286, который был использован фирмой IBM в 1984г. в компьютере серии IBM PC/AT. Его быстродействие было в 3-4 раза выше, чем у IBM PC/ХT. В 1985г. фирма Intel разработала 32-битовый процессор Intel-80386. Он содержал примерно 275 тысяч транзисторов и мог работать с 4 Гб дисковой памяти.
Для процессоров Intel-80286 и Intel-80386 появились математические сопроцессоры соответственно Intel-80287 и Intel-80387, которые повышали быстродействие компьютеров при математических расчётах и при работе с плавающей запятой. Процессоры 80486 (1989г.), Pentium (1993г.), Pentium-Pro (1995г.), Pentium-2 (1997г.) и Pentium-3 (1999г.) уже имеют встроенный математический сопроцессор.
На базе процессоров Pentium собраны многие современные персональные компьютеры.
Пятое поколение (перспективное) - это ЭВМ, использующие новые технологии и новую элементную базу, например сверхбольшие интегральные схемы, оптические и магнито-оптические элементы, работающие посредством обычного разговорного языка, оснащённые огромными базами данных. Предполагается также использовать элементы искусственного интеллекта и распознавание зрительных и звуковых образов. Такие проекты разрабатываются в ведущих промышленно развитых странах.

Классификация ЭВМ

Любая классификация ЭВМ условна в силу их чрезвычайного разнообразия. Назначение и функциональные возможности ЭВМ – это две взаимосвязанные стороны, по которым можно определять место ЭВМ.
СуперЭВМ [super computer] – сверхпроизводительная система, предназначенная для решения задач, требующих больших объ?мов вычислений. К таким задачам относятся задачи аэродинамики, ядерной физики и физики плазмы, сейсмологии, метеорологии, обработки изображений и др. СуперЭВМ всегда выполняются на пределе технических возможностей. Это системы общего назначения.
Сервер [server] – ЭВМ, предоставляющая свои ресурсы другим пользователям. Различаются файл-серверы, серверы печати, серверы баз данных и др. Наличие сервера всегда предполагает наличие других ЭВМ, которые связаны в сеть. Сети и серверы – это неразделимые понятия. ЭВМ, которую обслуживает сервер, называется клиентной рабочей станцией или просто клиентом. Рабочая станция [workstation] – специализированная высокопроизводительная ЭВМ, ориентированная на профессиональную деятельность в определенной области (обычно САПР, графика), имеющая поэтому дополнительное оборудование и специализированное программное обеспечение.
Персональная ЭВМ - ПЭВМ [personal computer - PC] – универсальная, однопользовательская ЭВМ. Настройка такой ЭВМ может выполняться, как правило, самим пользователем. Среди ПЭВМ можно выделить переносные ПЭВМ – наколенные [laptop], блокнотные [notebook] и кар-манные [palmtop] ЭВМ.
Терминал [terminal] – устройство, подключенное к более мощной ЭВМ, не предназначенное для работы в автономном режиме и обеспечивающее ввод-вывод информации и команд пользователя.

Персональные компьютеры

Персональный компьютер - это электронный прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и передачи информации.
Слово электронный в данном определении не очень принципиально. История техники знает и электрические, и механические устройства для обработки информации. Электронный - это просто констатация факта. Именно электронные устройства достигли производительности в сотни миллионов операций в секунду, и именно они сегодня составляют парк мировой вычислительной техники.
Персональные компьютеры - это малогабаритные вычислительные машины, которые могут быть установлены на любом рабочем месте. Наиболее известны и распространены персональные компьютеры IBM PC и Macintosh.
Минимальный состав персональных компьютеров:
1) системный блок;
2) дисплей;
3) клавиатура.
Дисплей - это устройство отображения информации на электронном экране. Дисплеи в персональных компьютерах могут быть цветными и черно-белыми. Информация на дисплеях обычно отображается как в телевизоре - на экране электронно-лучевой трубки. Клавиатура содержит клавиши, как правило, латинского и русского алфавитов. Кроме того, на клавиатуре имеются цифры и другие специальные знаки. Нажимая на эти клавиши, можно вводить в компьютер самую разную информацию - числа, слова, фразы, а также команды управления компьютером. Мышка - устройство, которое подсоединяется к персональному компьютеру электрическим шнуром и которое можно перемещать по столу. Системный блок содержит процессор и оперативную память. Возможности компьютеров зависят от типа и быстродействия процессора, а также от объемов оперативной и долговременной памяти. Во всех современных персональных компьютерах в системный блок входят также накопители на магнитных дисках. Процессор - это устройство управления компьютером. Быстродействие компьютеров определяется числом операций, выполняемых процессором за одну секунду. Основной функцией процессоров является автоматическое управление работой ЭВМ с помощью программ, размещаемых в оперативной памяти. В компьютерах первого поколения быстродействие процессоров составляло несколько тысяч операций в секунду; второго поколения - несколько десятков тысяч, а в машинах третьего поколения - несколько сотен тысяч операций в секунду.
Быстродействие персональных компьютеров четвертого поколения - несколько миллионов операций в секунду. В компьютерах следующих поколений быстродействие будет составлять десятки и даже сотни миллионов операций в секунду. В персональных компьютерах IBM PC используются процессоры фирмы Intel. В компьютерах младших моделей процессоры Intel - 86, 286, 386 и 486, а в старших моделях процессоры серии Pentium - Pentium, Pentium II, Pentium III и т. д. В персональных компьютерах Macintosh применяются процессоры фирмы Motorola.

Лекция 2

Количество информации

Как измерить количество информации? Человек воспринимает информацию с помощью органов чувств. Вкус, цвет, звук, тепло, изображение – все это непрерывная, т.е. аналоговая информация. В то же время, компьютеры работают только с числом, т.е. с цифровой информацией. Однако аналоговую информацию можно преобразовать в цифровую, если, например, разным цветам поставить в соответствие номера, а разным звукам – ноты. В цифровую форму можно также преобразовать и изображения. Преобразование информации из аналоговой формы в цифровую называется аналогово-цифровым преобразованием.
Конечный набор символов, которые используются для аналого-цифрового преобразования, называется алфавитом. Например, это может быть русский, латинский алфавит, ноты, числа и т.д.
Кодирование – представление символов одного алфавита символами другого. Простейшим алфавитом, достаточным для кодирования любого другого является двоичный алфавит (двоичный код, двоичная система счисления), состоящий всего из двух символов: 0 и 1. Информация в вычислительной машине представляется в двоичном коде. Любую информацию, представленную в цифровом виде компьютер легко превращает в последовательности нулей и единиц, а дальше уже работает с ними. Любое число можно преобразовать в двоичную форму.
Таким образом, компьютер работает с двоичным кодом. По-английски двоичный знак звучит как binary digit. Сокращенно получается бит.
Бит – это наименьшая единица информации, которая выражает значение Да или Нет и обозначается двоичным числом 0 или 1.
После того как информация преобразована из аналоговой в цифровую, ее уже можно измерить. Для этого существует специальная теория информации – это раздел математики, исследующий процессы хранения, преобразования и передачи информации. В ее основе лежит предложенный в 1948 году К. Шенноном способ измерения количества информации, который приводит к выражению количества информации числом. Рассмотрим его на простейших примерах.
Пример. Человек бросает монету и наблюдает, какой стороной она упадет. Обе стороны монеты равноправны, поэтому одинаково вероятно, что выпадет одна или другая сторона. Такой ситуации приписывается начальная неопределенность, характеризуемая двумя возможностями. После того, как монета упадет, достигается полная ясность и неопределенность исчезает (становится равной нулю).
Бит – минимальная единица количества информации, ибо получить информацию меньшую, чем 1 бит, невозможно. При получении информации в 1 бит неопределенность уменьшается в 2 раза. Таким образом, каждое бросание монеты дает нам информацию в 1 бит.
В качестве других моделей получения такого же количества информации могут выступать электрическая лампочка, двухпозиционный выключатель, магнитный сердечник, диод и т. п. Включенное состояние этих объектов обычно обозначают цифрой 1, а выключенное – цифрой 0.
Рассмотрим систему из двух электрических лампочек, которые независимо друг от друга могут быть включены или выключены. Для такой системы возможны следующие состояния:
Лампа А 0 0 1 1
Лампа В 0 1 0 1
Чтобы получить полную информацию о состоянии системы, необходимо задать два вопроса типа "да-нет" – по лампочке А и лампочке В соответственно. В этом случае количество информации, содержащейся в данной системе, определяется уже в 2 бита, а число возможных состояний системы – 4. Если взять три лампочки, то необходимо задать уже три вопроса и получить 3 бита информации. Количество состояний такой системы равно 8 и т. д.
Одним битом можно закодировать два значения Да и Нет (1 и 0). Двумя битами можно закодировать уже 4 значения: 00, 01, 10,11. Тремя битами – 8 значений. А если битов I, то количество значений, которое можно закодировать, равно N=2^I. Это выражение иногда называют формулой Хартли и записывают в одном из следующих видов:
I=log₂N, или N =2ⁱ,
Бит – очень маленькая величина, работать с которой малопроизводительно. Обработкой информации в компьютере занимается специальная микросхема, которая называется процессором. Эта микросхема может обрабатывать сразу несколько битов информации. Процессоры в калькуляторах 70-х гг. могли обрабатывать сразу 4 бита, поэтому их называли четырехразрядными. Один из первых в мире персональных компьютеров (Altair, 1974) был восьмиразрядным, он мог обрабатывать сразу 8 бит. Поэтому в ВТ появилась новая единица измерения информации – байт.
Байт – это группа из восьми битов.
Если бит – минимальная единица информации, то байт ее основная единица. Существуют производные единицы информации: килобайт (кбайт, кб), мегабайт (Мбайт, Мб) и гигабайт (Гбайт, Гб).
1 кб =1024 байта = 2¹⁰ (1024) байтов.
1 Мб = 1024 кбайта = 2²⁰(1024 x 1024 = 1048576) байтов.
1 Гб = 1024 Мбайта = 2³⁰ (1024х1024 х 1024)байтов. Эти единицы чаще всего используют для указания объема памяти ЭВМ.
Как следует из формулы Хартли, 1 байтом можно закодировать 2⁸=256 значений. Таким образом, осталось договориться, каким именно кодом (от 0 до 255) закодировать разные буквы, цифры, знаки препинания. Поскольку языков в мире много, договорились так: первую половину (128 кодов от 0 до 127) назвали таблицей ASCII и стандартизовали для всех стран и народов. А вторую половину отдали на откуп самим странам. В России содержание этой второй половины может подчиняться четырем различным стандартам.

От информации к данным

Хранение информации

Человек по-разному подходит к хранению информации. Все зависит от того, сколько ее и как долго ее нужно хранить. Если информации немного, ее можно запомнить в уме. Нетрудно запомнить имя своего друга и его фамилию. А если нужно запомнить его номер телефона и домашний адрес, мы пользуемся записной книжкой. Когда информация запомнена (сохранена), ее называют данные.
Для записи данных в книжку требуется больше времени, чем на то, чтобы их запомнить. Востребовать данные из записной книжки или из тетрадки тоже не так просто, как вспомнить, но если в голове информация не сохранилась, то и записная книжка, и тетрадка оказываются более надежными источниками данных. Самые долговременные средства для хранения данных – это книги. В них данные хранятся сотни лет. Благодаря книгам информация распространяется не только в пространстве, но и во времени. Вы знаете, что по древним рукописным книгам, созданным сотни и тысячи лет назад, можно приобретать знания и сегодня. Информация в книгах хранится столь долго потому, что есть специальные организации, которым поручено собирать все выходящие книги и надежно их хранить. Такие организации нам известны – это библиотеки и музеи. Любое знание, занесенное в книгу, обязательно кем-то сохраняется для других поколений: для этого в каждом государстве есть специальные законы.

Файлы данных

Файл – это последовательность произвольного числа байтов. Размер файла, вообще говоря, неограничен сверху. Другими словами, файл является структурой переменной длины, являясь при этом минимальной единицей хранения данных.
Для того чтобы данные было удобно хранить, они должны быть структурированы, т.е., обладать избыточностью. С этой целью каждый файл имеет свое имя: <имя>.<тип>. Для хранения файлов существует специальная структура – файловая структура.
Файловая структура – это иерархическая структура, предназначенная для хранения отдельных файлов или файлов, сгруппированных в каталоги
Полное имя файла::\<каталог1>\<каталог2>\…\<имя>.<тип> Маршрут доступа (:\<каталог1>\<каталог2>\…\) и собственное имя файла (<имя>.<тип>) образуют полное имя файла. Уникальность файловой структуры определяется полным именем файла.
У каждого файла есть свой адрес. Он записан в т.н. FAT-таблице двухбайтным числом, т.е. на каждую запись выделено 16 бит. Это система FAT16. С помощью 16 битов можно представить 2¹⁶=65536 адресов. А если диск 2 Гб? Тогда на каждый адрес выделяется уже 4 байта или 32 бита. Это уже FAT32.

Структуры данных

В информатике принято различать три типа структур данных: линейную, табличную и иерархическую.
Линейная структура данных – это упорядоченная структура данных, в которой положение элемента однозначно определяется его номером.
Пример: список студентов потока НД.
Табличная структура данных – это упорядоченная структура данных, в которой положение элемента однозначно определяется его адресом.
Пример: журнал успеваемости. Таблица умножения. FAT-таблица
Иерархическая или древовидная структура данных – это упорядоченная структура данных, в которой положение элемента однозначно определяется маршрутом доступа, начиная от корневого элемента.
Примеры: почтовый адрес. Группа в составе факультета.
Для того чтобы структура данных была упорядоченной, данные должны обладать избыточностью.