0.3. Електронні обчислювальні системи

Революційним проривом у розвитку інформатики (індустрії, науки) стало створення у середині XX ст. перших електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) та на їхній основі – інформаційних систем із суб’єктами-обробниками – електронними обчислювальними системами (ОбС). Поява вже перших, недосконалих ЕОМ продемонструвала широкі можливості нових інформаційних систем і дозволила значно розширити та прискорити розв’язок задач у різних сферах, насамперед у галузі обчислювальної математики. ЕОМ або комп’ютер – це реалізація автомата з програмним керуванням (АПК) на електронній елементній базі. На загальному рівні АПК складається з процесора, пам’яті та пристроїв введення-виведення інформації. Функціонування АПК зводиться до автоматичного виконання процесором послідовностей машинних команд (програм), що зберігаються в його пам’яті. У свою чергу, обчислювальна система складається з ЕОМ (мережі ЕОМ) і програмного забезпечення (ПЗ). Якщо обчислювальна система базується на мережі ЕОМ, то вона називається розподіленою.

ОбС ЕОМ (мережа ЕОМ) ПЗ.

Програмне забезпечення поділяється на системне та прикладне. Основою системного програмного забезпечення є операційна система – комплекс програм, призначених для автоматизованого керування ресурсами комп’ютера та автоматизації процесу програмування. Прикладне програмне забезпечення застосовується для реалізації запитів інформаційних систем на базі даної ОбС.

Для створення інформаційної системи на базі ОбС необхідно розв’язати три задачі: 1) визначити апаратуру, зокрема засоби зв’язку для забезпечення комунікації між суб’єктами системи; 2) вибрати системне програмне забезпечення; 3) створити (або адаптувати до умов задачі вже існуючу) прикладну частину програмного забезпечення. Саме розв’язок третьої задачі спричиняє найбільше проблем при програмуванні інформаційних систем.

Обробка інформації в інформаційних системах на базі сучасних ОбС отримала назву інформаційних технологій (ІТ). ІТ охоплює весь комплекс робіт з інформацією в інформаційних системах – від формування й кодування запиту, передавання його лініями зв’язку обчислювальній системі до реалізації запиту й повернення, декодування та осмислення його результатів.

ІТ обробка інформації в інформаційних системах на базі ОбС.

Сучасний соціум уже немислимий без застосування ІТ. Не безпідставно вважається, що ІТ значною мірою визначають не тільки рівень, але й напрям його розвитку ⁵.

0.4. З історії інформатики

Будь-яка нова наукова дисципліна, відповідаючи на певні актуальні виклики сучасності, не виникає на порожньому місці. Вона на щось спирається, має певні (якщо не прямі, то опосередковані) історичні витоки. У цьому сенсі інформатиці поталанило. Не зважаючи на свій юний вік (а сучасна інформатика, як уже наголошувалось, набула свого бурхливого розвитку порівняно недавно – у другій половині XX ст.), її дескриптологічні корені простягаються далеко в минуле, коли вперше виникла ідея формалізації розумової діяльності людини. Перший і тому, можливо, найважливіший, крок у цьому напрямі зробив Арістотель (384–322 рр. до н. е.) у теорії силогізмів. Значно пізніше, тільки через півтори тисячі років, було зроблено наступний крок і висунуто загальну ідею машинізації логічних умовиводів. Вона належала іспанському логіку Р. Луллієму (1235–1315), який поставив задачу на основі арістотелевої логіки розробити універсальний метод пізнання й механізувати його за допомогою спеціальної машини, яка б моделювала логічні умовиводи. Хоча Луллієму не вдалося до кінця реалізувати свій задум і побудувати таку машину, сама спроба механізації моделі стала піонерською в галузі створення штучних суб’єктів-обробників інформації.

Наступний важливий крок зробив Г. Лейбніц (1646–1716), який намагався створити універсальну дескриптивну платформу для всіх наук – прообраз сучасних формальних систем числення. Він першим зрозумів роль двійкової системи числення в механізації та організації обчислень. Ним же був розроблений (і частково реалізований) проект механічної обчислювальної машини, оснований на двійковій арифметиці. Саме з числових обчислень розпочалась ера механізації та автоматизації інформаційних систем. Протягом XVII–XIX ст. з’явилася ціла низка арифмометрів і калькуляторів для механічної обробки числової інформації. Основи такої обробки базувались на винайдених ще в Стародавній Індії позиційних системах числення та правилах виконання в них чотирьох основних арифметичних дій. Ці правила набули поширення в Європі приблизно в 820–825 рр. завдяки трактату хорезмського математика та астронома аль Хорезмі. Звідси й походять такі словосполучення, як “алгоритм додавання”, “алгоритм множення” тощо. Пізніше термін “алгоритм” став застосовуватись у ширшому сенсі, означаючи будь-яке правило для обробки інформації, у тому числі й символьної.

Наприкінці XIX та на початку XX ст. ідеї Лейбніца про універсальну платформу знайшли свій подальший розвиток у формалізації класичної математики, яка завершилася створенням прикладного числення предикатів (ПЧП). ПЧП – це мішана дескриптологічна система, побудована з метою формального уточнення й дослідження таких фундаментальних понять, як математичне твердження, його доведення та як універсальний інструмент для опису математичних об’єктів і роботи з ними. До появи ПЧП доклали зусилля багато математиків. Відзначимо серед них Дж. Буля (1815–1864) – числення висловлювань, булева алгебра; Э. Шредера (1841–1902) – “Лекції з алгебри логіки”; Дж. Пеано (1858–1932) – аксіоматика арифметики; Г. Фреге (1848–1925) – аналіз первинних математичних понять, основи арифметики. У сучасному вигляді ПЧП описане у “Принципах математики“ Б. Рассела (1872–1970) та А. Уайтхеда (1861–1947). Книга була надрукована у 1910–1913 рр.

Принциповим кроком на шляху до інформатики було створення в надрах математичної логіки й основ математики спеціальних інтенсіональних ДС, призначених для уточнення й вивчення загальних властивостей інтуїтивного для цього поняття алгоритму та обчислюваності. Серед таких систем були -числення А. Чорча (1936), машини Тьюрінга (1936), алгоритми Поста (1936) та ін. Згодом було доведено, що в певному сенсі всі ці моделі алгоритмів еквівалентні. Уточнення поняття алгоритму дозволило виділити клас алгоритмічно розв’язних задач. Для багатьох задач була доведена їхня алгоритмічна нерозв’язність. Перший приклад такої задачі навів А.Чорч (1903–1995), який довів нерозв’язність чистого ПЧП (без символів операцій і констант). Модель Тьюрінга мала суттєву перевагу над іншими – вона припускала природну машинну інтерпретацію. Використовуючи її, Тьюрінг теоретично довів існування універсального суб’єкта-обробника для інформаційних систем, який потенційно здатний реалізувати запити будь-якої інформаційної системи. Цей обробник отримав назву універсального АПК. Концепція універсального АПК та її реалізація у вигляді ЕОМ відіграли вирішальну роль у подальшому розвитку інформатики.

Символьні (нечислові) маніпуляції з інформацією були також відомі дуже давно та пов’язані з виникненням природних мов, тайнописом і шифруванням текстів. Виникла ціла наука – криптографія. Її батьком вважається Л. Альберті (1404–1472), який написав першу книгу з криптографії. Сьогодні без застосування методів криптографії та криптографічних систем немислима жодна серйозна інформаційна система. Іншим важливим елементом комунікативних систем є системи зв’язку, призначені для кодування й декодування інформації та передавання її на відстані. Вони теж мають свою багату історію.

Узагалі кажучи, сама ідея АПК належала не Тьюрінгу, а Ч. Беббіджу (1791–1881), який розробив проект Аналітичної машини – певний механічний варіант АПК. На жаль, через свою складність він не був реалізований. Тільки майже через століття з’явилися перші успішні спроби створення діючих версій АПК (машина Z3 К. Цузе в 1941 р. та ін.), але вони вже були не механічними, а на електромеханічній основі. Першою діючою ЕОМ вважається машина, побудована в проекті ENIAK під керівництвом Д. Мочлі та П. Еккерта в 1946 р. у Принстонському університеті (США). Вона використовувала 18000 електроламп, виконувала біля 3000 оп./с і керувалася програмою, команди якої встановлювались за допомогою механічних перемикачів. Таке введення програми обмежувало можливості автоматизації обчислень. Тому в наступному проекті цих вчених – EDWAK (1951) – уже передбачалось зберігання команд програми разом з даними безпосередньо в оперативній пам’яті. Принцип побудови подібних ЕОМ отримав назву неймановського за прізвищем відомого математика Дж. фон Неймана (1903–1957), який у 1946 р. разом із Г. Голдстайном та А. Берксом у спеціальному звіті узагальнив набутий на той момент досвід розробки ЕОМ.

Однак історія появи першої ЕОМ на цьому не закінчилась, а навпаки, почала обростати з часом новими подробицями, іноді досить цікавими. Це викликано тим, що роботи зі створення перших зразків комп’ютерної техніки проводились одночасно в різних країнах (Британія, Німеччина, США, СРСР) напередодні й під час Другої світової війни (звісно, у режимах секретності). Тому інформація про них у науковій літературі протягом тривалого часу була обмежена. Матеріали про вже згаданий звіт фон Неймана, Голдстайна та Беркса з’явилися в пресі тільки в 50-х рр. XX ст.⁶. Нова сторінка історії знов пов’язана з діяльністю Тьюрінга, який на початку 40-х рр. очолював групу зі створення у Великобританії першої у світі спеціалізованої ЕОМ «Колос». Робота була успішно завершена в 1942 р., але, оскільки дана ЕОМ створювалась для британської розвідки, то результати її залишалися невідомими до 1975 р. Цікаво, що в самій Британії першою вітчизняною ЕОМ вважають машину EDSAC (М. Уілкс, 1949) – першу ЕОМ, в якій команди вже зберігались в оперативній пам’яті. Ще цікавіше, що Тьюрінг був причетний і до створення ЕОМ ENIAK (він працював у США на завершальних етапах її розробки та запуску).