Задачи информатики:

создание техники и технологий преобразования информации;

решение проблем, возникающих при разработке и использовании информационных технологий и компьютерной техники;

исследование информационных процессов

 

Роль информатики в современном мире вырастает, поскольку происходит переход к информационному обществу

 

Информационное общество характеризуется следующими чертами:

большая часть работающих занимается не производством материальных благ, а производством и обработкой информации

вся большая часть потребностей населения связана с получение информации

уровень жизни во многом определяется доступом к информационным ресурсам

резко увеличивается объем обрабатываемой информации

увеличивается информационная емкость выпускаемой продукции, т.е. для производства продукции требуется все больше информации

 

Процесс перехода от индустриального общества к информационному называется информатизацией

3)

Информатика – это одна из самых молодых наук. Она изучает свойства и закономерности информации, методы ее использования в жизнедеятельности человека.

Начинается  история развития информатики с момента появления первых электронно-вычислительных машин в конце 40-х – начале 50-х годов ХХ века. Это были первые ЭВМ, работающие на электронных лампах. Ближе к 60-м годам были изобретены дискретные полупроводниковые ЭВМ. А в середине 60-х годов появились машины, оборудованные интегральными микросхемами.

История  развития информационных систем теснейшим образом связана с тем, что человеку было всегда трудно производить сложные математические вычисления в уме или на бумаге. Пытливый ум людей стремился к автоматизации вычислительных процессов путем использования простейших счетов, логарифмической линейки. И, наконец, в 1642 году Паскалем был создан восьмиразрядный суммирующий механизм. Через 2 столетия Шарль де Кольмар усовершенствовал его до арифмометра, который производил более сложные математические действия в виде умножения и деления.  Бухгалтера были в восторге от этого изобретения.

Но собственно история развития информационных технологий начинается с изложения идей, положенных в основу современных компьютеров в 1833 году англичанином Чарльзом Бэббиджем. Он впервые использовал перфокарты, отверстия которых служили для передачи информации. Это были первые шаги программирования.

История  развития информационных систем была продолжена в 1888 году инженером из Америки Германом Холлеритом, которому принадлежит авторство первой счетной машины электромеханического типа. Она прошла проверку во время переписи населения в 1890 году и поразила своими результатами и скоростью вычисления. Если ранее для выполнения этого количества работы требовалось 500 сотрудников, которые корпели над цифрами семь лет подряд, то Холлерит, который раздал каждому из 43 помощников по счетной машине, справился с этим объемом работы в течение одного месяца.

История  развития информационных технологий благодарна Холлериту и в том, что он основал компанию, которая в дальнейшем стала именоваться IBM и на сегодняшний день является гигантом мировой компьютеризации. Ее сотрудники вместе с учеными Гарвардского университета в 1940 году построили первую электронно-вычислительную машину, которую назвали «Марк-1». Весила эта громадина 35 тонн, а заказчиком ЭВМ выступило военное ведомство США. Машина вычисляла в двоичной системе. На 300 действий умножения и 5000 операций сложения она тратила всего одну секунду. Но лампы быстро выходили из строя и эта проблема была решена Бардином, Браттейном и Шокли – изобретателями полупроводниковых транзисторов.

Таким образом, история развития информатики подошла к моменту радикального уменьшения размеров компьютеров и следующее их поколение было существенно меньших размеров. А скорость вычислительных способностей увеличилась в 10 раз.

Далее вся история развития информатики в мире будет связана с миниатюризацией компьютеров. И преуспевает в этом отношении сначала американская компания DIGITAL EQUIPMENT, затем фирма INTEL. А середины 70-х годов ХХ века появляются и персональные компьютеры знаменитой ныне компании APPLE. 

 История  развития информатики в нашей стране начинается с малой электронной счетной машины (МСЭМ), выполнявшая 50 операций в секунду.  Ее конструктором стал Сергей Александрович Лебедев. Путь ее был в нашем отечестве довольно тернист. А сегодня мы уже не представляем себе полноценной жизни без использования компьютеров. И если оглянуться назад, то времени-то прошло совсем немного. Так техническая мысль опережает даже время. ПК,

ноутбуки и нетбуки - особая примета современной эпохи.

4)

Основными методами исследования в информатике являются: – системно-информационный анализ как конкретизация системного подхода; – информационное моделирование как конкретизация общенаучного метода моделирования; – компьютерный эксперимент как разновидность свойственного всем наукам вычислительного эксперимента. Быстрое увеличение объема существующей и циркулирующей в обществе информации ставит современного человека перед проблемой умения работать с ней: находить, отбирать нужное, хранить, упаковывать и быстро извлекать из хранилища, обрабатывать и преобразовывать. Причем, информация все чаще может быть представлена не только в текстовом, наиболее привычном виде, но и как видео- и аудиоматериалы, схемы и анимационная графика и т.п. Владение методами, приемами и средствами ра- боты с информацией становится одним из основных профессионально важных

5)

Понятие информации, виды информации. Ее свойства

Термин информация происходит от латинского слова informatio, что означает «сведения, разъяснения, изложение».

Информация - это настолько общее и глубокое понятие, что его нельзя объяснить одной фразой. В это слово вкладывается различ­ный смысл в технике, науке и в житейских ситуациях.

В обиходе информацией называют любые данные или сведения, которые кого-либо интересуют, например сообщение о каких-либо событиях, о чьей-либо деятельности и т. п. «Информировать» в этом смысле означает «сообщить нечто, неизвестное раньше».

Информация — сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые воспринимают информацион­ные системы (живые организмы, управляющие машины и др.) в процессе жизнедеятельности и работы.

Одно и то же информационное сообщение (статья в газете, объявление, письмо, телеграмма, справка, рассказ, чертеж, радиопереда­ча и т. п.) может содержать разное количество информации для разных людей в зависимости от их накопленных знаний, от уровня понимания этого сообщения и интереса к нему. Так, сообщение, составленное на японском языке, не несет никакой новой информации человеку, не знающему этого языка, но может быть высокоинформативным для человека, владеющего японским. Никакой новой информации не содержит и сообщение, изложенное на знакомом языке, если его содержание непонятно или уже известно.

Информация есть характеристика не сообщения, а соотношения между со­общением и его потребителем. Без наличия потребителя, хотя бы потенциального, говорить об информации бессмысленно.

В случаях, когда говорят об автоматизированной работе с информацией посредством каких-либо технических устройств, обыч­но в первую очередь интересуются не содержанием сообщения, а тем, сколько символов это сообщение содержит.

Применительно к компьютерной обработке данных под информацией понима­ют некоторую последовательность символических обозначений (букв, цифр, закодиро­ванных графических образов и звуков и т. п.), несущую смысловую нагрузку и пред­ставленную в понятном компьютеру виде. Каждый новый символ в такой последовательности символов увеличивает информационный объем сообщения.

Информация может существовать в виде:

текстов, рисунков, чертежей, фотографий;

световых или звуковых сигналов;

радиоволн;

электрических и нервных импульсов;

магнитных записей;

жестов и мимики;

запахов и вкусовых ощущений;

хромосом, посредством которых передаются по наследству признаки и свойства организмов, и т. д.

Предметы, процессы, явления материального или нематери­ального свойства, рассматриваемые с точки зрения их информацион­ных свойств, называются информационными объектами.

Что можно делать с информацией

создавать	принимать	комбинировать	хранить
передавать	копировать	обрабатывать	искать
воспринимать	формализовать	делить на части	измерять
использовать	распространять	упрощать	разрушать
запоминать	преобразовывать	собирать	и т. д.

Все эти процессы, связанные с определенными операциями над информацией, называются информационными процессами.

Свойства информации

Информация обладает следующими свойствами:

достоверность 

полнота

точность

ценность

своевременность

понятность 

доступность

краткость и т. д.

Информация достоверна, если она отражает истинное положение дел. Недостоверная информация может привести к неправильному пониманию или принятию неправильных решений. Достоверная информация со временем может стать недостоверной, так как она обладает свойством устаревать, т. е. переста­ет отражать истинное положение дел.

Информация полна, если ее достаточно для понимания и принятия ре­шений. Как неполная, так и избыточная информация сдерживает принятие ре­шений или может повлечь ошибки.

Точность информации определяется степенью ее близости к реальному состоянию объекта, процесса, явления и т. п.

Ценность информации зависит от того, насколько она важна для реше­ния задачи, а также от того, насколько в дальнейшем она найдет применение в каких-либо видах деятельности человека.

Только своевременно полученная информация может принести ожидае­мую пользу. Одинаково нежелательны как преждевременная подача информации (когда она еще не может быть усвоена), так и ее задержка.

Если ценная и своевременная информация выражена непонятным обра­зом, она может стать бесполезной. Информация становится понятной, если она выражена языком, на котором говорят те, кому предназначена эта информация.

Информация должна преподноситься в доступной (по уровню восприя­тия) форме. Поэтому одни и те же вопросы по-разному излагаются в школь­ных учебниках и научных изданиях.

Информацию по одному и тому же вопросу можно изложить кратко (сжато, без несущественных деталей) или пространно (подробно, многословно). Краткость информации необходима в справочниках, энциклопедиях, всевозмож­ных инструкциях.

6)

Компьютер, помогающий человеку хранить и обрабатывать информацию, приспособлен в первую очередь для обработки текстовой, числовой, графической информации.

          Рассмотрим только те виды информации, которые «понимают» технические устройства (в частности, компьютер).

• Текстовая информация, например текст в учебнике, сочинение в тетради, реплика актера в спектакле, прогноз погоды, переданный по радио. Заметим, что в устном общении (личная беседа, разговор по телефону, радиопостановка спектакля) информация может быть представлена только в словесной, текстовой форме.

• Числовая информация, например таблица умножения, арифметический пример, в хоккейном матче счет, время прибытия поезда и др. В чистом виде числовая информация встречается редко, разве что на контрольных по математике. Чаще всего используется комбинированная форма представления информации.

           Рассмотрим пример. Вы получили телеграмму: «Встречайте двенадцатого. Поезд прибывает в восемь вечера». В данном тексте слова «двенадцатого» и «восемь» мы понимаем как числа, хотя они и выражены словами.

• Графическая информация: рисунки, схемы, чертежи, фотографии. Такая форма представления информации наиболее доступна, так как сразу передает необходимый образ (модель), а словесная и числовая требуют мысленного воссоздания образа. В то же время графическая форма представления не даёт исчерпывающих разъяснений о передаваемой информации. Поэтому наиболее эффективно сочетание текста, числа и графики.

           Например, при решении задач по геометрии мы используем чертеж (графика + пояснительный текст (текст) + числовые расчеты (числа).

• Музыкальная (звуковая) информация.

           В настоящее время мультимедийная (многосредовая, комбинированная) форма представления информации в вычислительной техники становится основной. Цветная графика сочетается в этих системах со звуком и текстом, с движущимися видеоизображением и трехмерными образами.

7)

Методы и модели оценки количества информации Для теоретической информатики информация играет такую же роль, как и вещество в физике. И подобно тому, как веществу можно приписывать довольно большое количество характеристик: массу, заряд, объем и т. д., так и для информации имеется пусть и не столь большой, но достаточно представительный набор характеристик. Как и для характеристик вещества, так и для характеристик информации имеются единицы измерения, что позволяет некоторой порции информации приписывать числа — количественные характеристик! информации. На сегодняшний день наиболее известны следующие способ измерения информации: объемный, энтропийный, алгоритмический. Объемный является самым простым и грубым способом измерения информации. Соответствующую количественную оценку? информации естественно назвать объемом информации. Объем информации в сообщении — это количество символов в сообщении. В вычислительной технике вся обрабатываемая и хранимая информация вне зависимости от ее природы (число, текст, отображение) представлена в двоичной форме (с использованием алфавита, состоящего всего из двух символов 0 и 1). Такая стандартизация позволила ввести две стандартные единицы измерения: бит и байт. Байт — это восемь бит. Более подробно эти единицы измерения будут рассмотрены в разделе «Формы пред­ставления и преобразования информации». В теории информации и кодирования принят энтропийный подход к измерению информации. Этот способ измерения исходит из следующей модели. Получатель информации (сообщения) имеет определенные представления о возможных наступлениях некоторых событий. Эти представления в общем случае недостоверны ни выражаются вероятностями, с которыми он ожидает то или иное событие. Общая мера неопределенности (энтропия) характеризуется некоторой математической зависимостью от совокупности этих вероятностей. Количество информации в сообщении определяется тем, насколько уменьшится эта мера после получения сообщения. Поясним эту идею на простом примере. Пусть имеется колода карт, содержащая 32 различные карты. Вероятность выбора одной карты из колоды равна 1/32. Априори (доопытно, до произведения выбора) естественно предположить, что наши шансы выбрать некоторую определенную карту одинаковы для всех карт колоды. Произведя выбор, мы устраняем эту априорную неопределенность. Нашу априорную неопределенность можно было бы охарактери­зовать количеством возможных равновероятностных выборов. Если теперь определить количество информации как меру устраненной неопределенности, то и полученную в результате выбора инфор­мацию можно охарактеризовать числом 32. 8) В информатике используются различные подходы к измерению информации: Содержательный подход к измерению информации. Сообщение – информативный поток, который в процессе передачи информации поступает к приемнику.  Сообщение несет информацию для человека, если содержащиеся в нем сведения являются для него новыми и понятными  Информация - знания человека ? сообщение должно быть информативно. Если сообщение не информативно, то количество информации с точки зрения человека = 0. (Пример: вузовский учебник по высшей математике содержит знания, но они не доступны 1-класснику) Алфавитный подход к измерению информации не связывает кол-во информации с содержанием сообщения. Алфавитный подход - объективный подход к измерению информации. Он  удобен при использовании технических средств работы с информацией, т.к. не зависит от содержания сообщения. Кол-во информации зависит от объема текста и мощности алфавита. Ограничений на max мощность алфавита нет, но есть достаточный алфавит мощностью 256 символов. Этот алфавит используется для представления текстов в компьютере. Поскольку 256=28, то 1символ несет в тексте 8 бит информации. Вероятностный подход к измерения информации. Все события происходят с различной вероятностью, но  зависимость между вероятностью событий и количеством информации, полученной при совершении того или иного события можно выразить формулой которую в 1948 году предложил  Шеннон.   Количество информации  - это мера уменьшения неопределенности. 1 БИТ – такое кол-во информации, которое содержит сообщение, уменьшающее неопределенность знаний в два раза.  БИТ- это аименьшая единица измерения информации Единицы измерения информации: 1байт = 8 бит 1Кб (килобайт) = 210 байт = 1024 байт 1Мб (мегабайт) = 210 Кб = 1024 Кб 1Гб (гигабайт) = 210 Мб = 1024 Мб Формула  Шеннона          I  - количество информации        N – количество возможных событий pi – вероятности отдельных событий Задача1: Какое количество информации будет содержать зрительное сообщение о цвете вынутого шарика, если в непрозрачном мешочке находится 50 белых, 25красных, 25 синих шариков 1) всего шаров 50+25+25=100 2) вероятности шаров 50/100=1/2, 25/100=1/4, 25/100=1/4 3)I= -(1/2 log21/2 + 1/4 log21/4 + 1/4 log21/4) = -(1/2(0-1) +1/4(0-2) +1/4(0-2)) = 1,5 бит   Количество информации достигает max значения, если события равновероятны, поэтому количество информации можно расcчитать  по формуле  Задача2 : В корзине лежит 16 шаров разного цвета. Сколько информации несет сообщение, что достали белый шар? т.к. N = 16 шаров,  то  I = log2 N = log2 16 = 4 бит. 9) Алфавитный подход к измерению информации. Назад Вперед Печать     Способ, не связывающий количество информации с содержанием сообщения, называется алфавитным подходом.     Проще всего разобраться в этом на примере текста, написанного на каком-нибудь языке. Для нас удобнее, чтобы это был русский язык.     Всё множество используемых в языке символов будем традиционно называть алфавитом. Обычно под алфавитом понимают только буквы, но поскольку в тексте могут встречаться знаки препинания, цифры, скобки, то мы их тоже включим в алфавит. В алфавит также следует включить и пробел (промежуток между словами).     Полное число символов алфавита принято называть мощностью алфавита. Будем обозначать эту величину буквой N. Например, мощность алфавита из русских букв и дополнительных символов равна 54.     Представьте себе, что текст к вам поступает последовательно, по одному знаку, словно бумажная ленточка, выползающая из телеграфного аппарата. Предположим, что каждый появляющийся на ленте символ с одинаковой вероятностью может быть любым символом алфавита. В действительности это не совсем так, но для упрощения примем такое предположение.     В каждой очередной позиции текста может появиться любой из N символов. Каждый символ несёт i бит информации; число i можно определить из уравнения:     2i = N.     Для N – 54, используя таблицу, получаем:     i = 5,755 бит.     Вот сколько информации несёт один символ в русском тексте! А теперь для того, чтобы найти количество информации во всём тексте, нужно посчитать число символов в нём и умножить на i.     Возьмём с книжной полки какую-нибудь книгу и посчитаем количество информации на одной её странице. Пусть страница содержит 50 строк. В каждой строке – 60 символов. Значит, на странице умещается 50х60 = 17265 бит.     Следовательно, при алфавитном подходе к измерению информации количество информации от содержания не зависит. Количество информации зависит от объёма текста (то есть от числа знаков в тексте) и от мощности алфавита.      Отсюда следует, например, что нельзя сравнивать информационные объёмы текстов, написанных на разных языках, только по объёму. У них отличаются информационные веса одного символа так как мощности алфавитов разных языков – различные.     Но если книги написаны на одном языке, то понятно, что в толстой книге информации больше, чем в тонкой. При этом содержательная сторона книги в расчёт не берётся.     Сформулируем правило, как измерить информацию, используя для этого алфавитный подход.     Количество информации, содержащееся в символьном сообщении, равно К х i, где К – число символов в тексте сообщения а i – информационный вес символа, который находится из уравнения 2i = N, где N – мощность используемого алфавита.    Применение алфавитного подхода удобно, прежде всего, при использовании технических средств работы с информацией. В этом случае теряют смысл понятия «новые – старые», «понятные – непонятные» сведения. Алфавитный подход является объективным способом измерения информации в отличие от субъективного, содержательного, подхода.

10)

Понятие алгоритма. Свойства алгоритма. Исполнители алгоритмов (назначение, среда, режим работы, система команд). Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов (программ).

Появление алгоритмов связывают с зарождением математики. Более 1000 лет назад (в 825 году) ученый из города Хорезма Абдулла (или Абу Джафар) Мухаммед бен Муса аль-Хорезми создал книгу по математике, в которой описал способы выполнения арифметических действий над многозначными числами. Само слово алгоритм возникло в Европе после перевода на латынь книги этого математика.

Алгоритм – описание последовательности действий (план), строгое исполнение которых приводит к решению поставленной задачи за конечное число шагов.

Вы постоянно сталкиваетесь с этим понятием в различных сферах деятельности человека (кулинарные книги, инструкции по использованию различных приборов, правила решения математических задач...). Обычно мы выполняем привычные действия не задумываясь, механически. Например, вы хорошо знаете, как открывать ключом дверь. Однако, чтобы научить этому малыша, придется четко разъяснить и сами эти действия и порядок их выполнения: 1. Достать ключ из кармана. 2. Вставить ключ в замочную скважину. 3. Повернуть ключ два раза против часовой стрелки. 4. Вынуть ключ.

Если вы внимательно оглянитесь вокруг, то обнаружите множество алгоритмов которые мы с вами постоянно выполняем. Мир алгоритмов очень разнообразен. Несмотря на это, удается выделить общие свойства, которыми обладает любой алгоритм.

Свойства алгоритмов: 1. Дискретность (алгоритм должен состоять из конкретных действий, следующих в определенном порядке); 2. Детерминированность (любое действие должно быть строго и недвусмысленно определено в каждом случае); 3. Конечность (каждое действие и алгоритм в целом должны иметь возможность завершения); 4. Массовость (один и тот же алгоритм можно использовать с разными исходными данными); 5. Результативность (отсутствие ошибок, алгоритм должен приводить к правильному результату для всех допустимых входных значениях).

Виды алгоритмов: 1. Линейный алгоритм (описание действий, которые выполняются однократно в заданном порядке); 2. Циклический алгоритм (описание действий, которые должны повторятся указанное число раз или пока не выполнено задание); 3. Разветвляющий алгоритм (алгоритм, в котором в зависимости от условия выполняется либо одна, либо другая последовательность действий)  4. Вспомогательный алгоритм (алгоритм, который можно использовать в других алгоритмах, указав только его имя).

Для более наглядного представления алгоритма широко используется графическая форма - блок-схема, которая составляется из стандартных графических объектов.

Вид стандартного графического объекта	Назначение
	Начало алгоритма
	Конец алгоритма
	Выполняемое действие записывается внутри прямоугольника
	Условие выполнения действий записывается внутри ромба
	Счетчик кол-во повторов
	Последовательность выполнения действий.

Стадии создания алгоритма: 1. Алгоритм должен быть представлен в форме, понятной человеку, который его разрабатывает. 2. Алгоритм должен быть представлен в форме, понятной тому объекту (в том числе и человеку), который будет выполнять описанные в алгоритме действия.

Объект, который будет выполнять алгоритм, обычно называют исполнителем.

Исполнитель - объект, который выполняет алгоритм.

Идеальными исполнителями являются машины, роботы, компьютеры...

Исполнитель способен выполнить только ограниченное количество команд. Поэтому алгоритм разрабатывается и детализируется так, чтобы в нем присутствовали только те команды и конструкции, которые может выполнить исполнитель.

Исполнитель, как и любой объект, находится в определенной среде и может выполнять только допустимые в нем действия. Если исполнитель встретит в алгоритме неизвестную ему команду, то выполнение алгоритма прекратится.

Компьютер – автоматический исполнитель алгоритмов.

Алгоритм, записанный на «понятном» компьютеру языке программирования, называется программой.

Программирование - процесс составления программы для компьютера. Для первых ЭВМ программы записывались в виде последовательности элементарных операций. Это была очень трудоемкая и неэффективная работа. Поэтому в последствии были разработанные специальные языки программирования. В настоящее время существует множество искусственных языков для составления программ. Однако, так и не удалось создать идеальный язык, который бы устроил бы всех.

11)

Для записи алгоритмов используют самые разнообразные средства. Выбор средства определяется типом исполняемого алгоритма. Выделяют следующие основные способы записи алгоритмов:

- вербальный, когда алгоритм описывается на человеческом языке;

- символьный, когда алгоритм описывается с помощью набора символов;

- графический, когда алгоритм описывается с помощью набора графических изображений.

Общепринятыми способами записи являются графическая запись с помощью блок-схем и символьная запись с помощью какого-либо алгоритмического языка.

Описание алгоритма с помощью блок схем осуществляется рисованием последовательности геометрических фигур, каждая из которых подразумевает выполнение определенного действия алгоритма. Порядок выполнения действий указывается стрелками. Написание алгоритмов с помощью блок-схем регламентируется ГОСТом. Внешний вид основных блоков, применяемых при написании блок схем, приведен на рисунке:

В зависимости от последовательности выполнения действий в алгоритме выделяют алгоритмы линейной, разветвленной и циклической структуры.

В алгоритмах линейной структуры действия выполняются последовательно одно за другим:

 

В алгоритмах разветвленной структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия производятся различные последовательности действий. Каждая такая последовательность действий называется ветвью алгоритма.

В алгоритмах циклической структуры в зависимости от выполнения или невыполнения какого-либо условия выполняется повторяющаяся последовательность действий, называющаяся телом цикла. Вложенным называется цикл, находящийся внутри тела другого цикла. Различают циклы с предусловием и послеусловием:

 

Итерационным называется цикл, число повторений которого не задается, а определяется в ходе выполнения цикла. В этом случае одно повторение цикла называется итерацией.

12)

Начало развития

Первые программы заключались в установке ключевых переключателей на передней панели вычислительного устройства. Очевидно, таким способом можно было составить только небольшие программы.

С развитием компьютерной техники появился машинный язык, с помощью которого программист мог задавать команды, оперируя с ячейками памяти, полностью используя возможности машины. Однако использование большинства компьютеров на уровне машинного языка затруднительно, особенно это касается ввода-вывода. Поэтому от его использования пришлось отказаться.

Например, для организации чтения блока данных с гибкого диска программист может использовать 16 различных команд, каждая из которых требует 13 параметров, таких как номер блока на диске, номер сектора на дорожке и т. п. Когда выполнение операции с диском завершается, контроллер возвращает 23 значения, отражающие наличие и типы ошибок, которые надо анализировать.

«Слова» на машинном языке называются инструкции, каждая из которых представляет собой одно элементарное действие для центрального процессора, такое, например, как считывание информации из ячейки памяти.

Каждая модель процессора имеет свой собственный набор машинных команд, хотя большинство из них совпадает. Если Процессор А полностью понимает язык Процессора Б, то говорится, что Процессор А совместим с Процессором Б. Процессор Б будет называться не совместимым с Процессором А если А имеет команды, не распознаваемые Процессором Б.

На протяжении 60-х годов запросы на разработку программного обеспечения возросли и программы стали очень большими. Люди начали понимать, что создание программного обеспечения — гораздо более сложная задача, чем они себе представляли. Это привело к тому, что было разработано структурное программирование. С развитием структурного программирования следующим достижением были процедуры и функции. К примеру, если есть задача, которая выполняется несколько раз, то её можно объявить как функцию или процедуру и в выполнении программы просто вызывать её. Общий код программы в данном случае становится меньше. Функции позволяют создавать модульные программы.

Следующим достижением было использование структур, благодаря которым перешли к классам. Структуры — это составные типы данных, построенные с использованием других типов. Например, структура время. В неё входит: часы, минуты, секунды. Программист мог создать структуру время и работать с ней, как с отдельной структурой. Класс — это структура, которая имеет свои переменные и функции, которые работают с этими переменными. Это было очень большое достижение в области программирования. Теперь программирование можно было разбить на классы и тестировать не всю программу, состоящую из 10’000 строк кода, а разбить программу на 100 классов, и тестировать каждый класс. Это существенно облегчило написание программного продукта.

Язык ассемблера

В случае, когда нужно иметь эффективную программу, вместо машинных языков используются близкие к ним машинно-ориентированные языки — ассемблеры. Люди используют мнемонические команды взамен машинных команд.

Но даже работа с ассемблером достаточно сложна и требует специальной подготовки.

Например, для процессора Zilog Z80 машинная команда 00000101 предписывает процессору уменьшить на единицу свой регистр B. На языке ассемблера это же будет записано как DEC B.

Структурное программирование

Следующий шаг был сделан в 1954 году, когда был создан первый язык высокого уровня — Фортран (англ. FORTRAN - FORmula TRANslator). Языки высокого уровня имитируют естественные языки, используя некоторые слова разговорного языка и общепринятые математические символы. Эти языки более удобны для человека, с помощью них, можно писать программы до нескольких тысяч строк длиной. Однако легко понимаемый в коротких программах, этот язык становился нечитаемым и трудно управляемым, когда дело касалось больших программ. Решение этой проблемы пришло после изобретения языков структурного программирования (англ. structured programming language), таких как Алгол(1958), Паскаль(1970), Си(1972).

Структурное программирование предполагает точно обозначенные управляющие структуры, программные блоки, отсутствие инструкций безусловного перехода (GOTO), автономные подпрограммы, поддержка рекурсии и локальных переменных.

Суть такого подхода заключается в возможности разбиения программы на составляющие элементы.

Также создавались функциональные (аппликативные) языки (Пример: Lisp — англ. LISt Processing, 1958) и логические языки (пример: Prolog — англ. PROgramming in LOGic, 1972).

Хотя структурное программирование, при его использовании, дало выдающиеся результаты, даже оно оказывалось несостоятельным тогда, когда программа достигала определенной длины. Для того чтобы написать более сложную (и длинную) программу, нужен был новый подход к программированию.

ООП

В итоге в конце 1970-х и начале 1980-х были разработаны принципы объектно-ориентированного программирования. ООП сочетает лучшие принципы структурного программирования с новыми мощными концепциями, базовые из которых называются инкапсуляцией, полиморфизмом и наследованием.

Примерами объектно-ориентированных языков являются Object Pascal, C++, Java и др.

ООП позволяет оптимально организовывать программы, разбивая проблему на составные части, и работая с каждой по отдельности. Программа на объектно-ориентированном языке, решая некоторую задачу, по сути, описывает часть мира, относящуюся к этой задаче.

13)

Исполнитель алгоритма - это человек или автомат (в частности, им может быть процессор ЭВМ), умеющий выполнять некоторый, вполне определенный набор действий.

Исполнителя характеризуют:

среда;

элементарные действия;

система команд;

отказы.

Среда (или обстановка) - это «место обитания» исполнителя.

Система команд. Каждый исполнитель может выполнять команды только из некоторого строго заданного списка-системы команд исполнителя. Для каждой команды должны быть заданы условия применимости (в каких состояниях среды может быть выполнена команда) и описаны результаты выполнения команды. После вызова команды исполнитель совершает соответствующее элементарное действие.

Отказы исполнителя возникают, если команда вызывается при недопустимом для нее состоянии среды.

Исполнитель ничего не знает о цели алгоритма. Он выполняет все полученные команды, не задавая вопросов «почему» и «зачем».

Компьютер как формальный исполнитель алгоритмов.

Рассмотрим процесс управления информационным процессом, в котором в качестве управляемого объекта выбран текст. Другими словами, рассмотрим информационный процесс, связанный с редактированием (изменением состояния) текста. Во-первых, для того, чтобы преобразовать текст, должен существовать кто-то или что-то, который эти преобразования выполняет. Иными словами, необходим исполнитель этих преобразований. Во-вторых, процесс преобразования текста необходимо разбить на отдельные операции, которые должны быть записаны в виде отдельных команд исполнителю. Каждый исполнитель обладает определенным набором, системой команд, которые он может выполнить. В процессе редактирования текста возможны различные операции: удаление, копирование, перемещение или замена его фрагментов. Исполнитель редактирования текста должен быть в состоянии выполнить эти операции. В-третьих, должно быть определено начальное состояние объекта, в данном случае текста, и его требуемое конечное состояние (цель преобразования). Будем говорить, что информационный процесс, обладающий всеми перечисленными выше свойствами, называется алгоритмом. Исполнитель может выполнить алгоритм, если команды алгоритма входят в систему команд исполнителя. Например: пользователю необходимо отредактировать текст следующим образом:

Выделить символы с 1 по 15.

Вырезать этот фрагмент и поместить его в буфер.

Установить курсор на позицию после 7-го символа.

Вставить вырезанный фрагмент текста.

Этот алгоритм пользователь может выполнять формально. Пользователь в процессе выполнения алгоритма на компьютере будет нажимать клавиши клавиатуры, а при работе с графическим интерфейсом с помощью мыши активизировать те или иные кнопки, пункты меню и т.д. Факти­чески пользователь будет давать команды объектам программной среды Windows&Office, которые и будут исполнителями алгоритма.

Алгоритмические языки программирования. Представление информационного процесса в форме алгоритма позволяет поручить его автоматическое исполнение различным техническим устройствам, среди которых особое место занимает компьютер. При этом говорят, что компьютер исполняет программу (последовательность команд), реализующую алгоритм на каком-либо языке программирования.

14)

1.3. Структуры ЭВМ

ЭВМ определяется как программно-управляемое устройство обработки данных в числовой форме. Кроме устройств обработки данных в числовой форме (ЦВМ) существуют устройства обработки информации и в аналоговой форме. Это сеточные интеграторы и машины непрерывного действия. В данном пособии рассматриваются только цифровые ЭВМ. Устройства обработки информации в числовой форме использовались человечеством с древних времен. Но если говорить только о программной обработке данных, то первой ЦВМ следует считать процессор аналитической машины английского математика Чарльза Бебиджа (1936 г.).

Механические устройства для цифровой обработки данных были хорошо известны и до Ч. Бебиджа, например арифмометр Блеза Паскаля (Blaise Pascal, 1623-1663).

Были хорошо известны и устройства программного управления, например программно-управляемый ткацкий станок Жозефа Мари Жаккара (Joseph-Marie Jacquard, 1752-1834) (программировался рисунок на монохромной ткани).

Ч. Бебидж удачно соединил эти идеи.

Классическая концепция вычислительных машин фон Неймана

Это концепция первых вычислительных машин, начиная с проекта машины Ч. Бебиджа, вернее, машин принстонской архитектуры, основные архитектурные особенности которой были сформулированы Джоном фон Нейманом.

Эта архитектура ЭВМ, поддерживающая следующие принципы:

двоичного кодирования,

программного управления,

однородности памяти,

адресуемой памяти.

Классический вариант этой машины (рис.1.1.) по концепции  фон Неймана должен содержать следующие блоки:

оперативную память,

арифметико-логическое устройство,

устройство управления,

устройства ввода-вывода,

внешние запоминающие устройства.

Оперативная память

Оперативная память предназначена для хранения как команд программы, так и данных. По концепции фон Неймана принципиально важно, чтобы команды и данные в оперативной памяти были неразличимы. При этом, если код из оперативной памяти поступал на сумматор, то он интерпретировался как данные, а если на регистр команд, то он интерпретировался как команда. Это было важно для возможности переадресации команд в цикле изменением команд на сумматоре.

 

Но в современных ЭВМ коды программ и данных в оперативной памяти стараются различать, например при помощи специальных битов в специальных структурных объектах, называемых дескрипторами сегментов.

Блок устройства управления предназначен для формирования сигналов управления (микроопераций) для выполнения команд программы. Основными блоками устройства управления являются: регистр указателя адреса очередной команды (счетчик команд), регистр команд, блок дешифрации команды, блоки формирования микроопераций, регистр состояния (программы).

Команды поступают из оперативной памяти на регистр команд устройства управления по шинам передачи команд (на рис. 1 обозначены двойным пунктиром). Циклы выборки команд управляются не командами, а наборами микроопераций, реализованных аппаратно (прошитых в памяти микропрограмм).

Управление АЛУ и другими устройствами осуществляется передачей  сигналов управления  (серий микроопераций) согласно командам на все программно управляемые устройства (память, АЛУ, устройства ввода/вывода и т.д.). На рис. 1.1 линии передачи сигналов управления (микроопераций) обозначены одиночными пунктирными линиями.

После выполнения каждой команды признаки результатов посылаются от АЛУ на регистр состояния устройства управления. Коды условий используются для реализаций ветвлений, включая циклы. В современных ЭВМ из АЛУ на устройство управления могут посылаться и сигналы прерываний. На рис.1 линии передачи кодов условий и сигналов прерывания обозначены, как и микрооперации, одиночной пунктирной линией.

По концепции фон Неймана команды должны поступать из памяти в устройство управления и выполняться строго по их порядку в программе для обеспечения корректности выполнения программ.

В современных ЭВМ допускается не только одновременное, но и внеочередное выполнение множества команд, но при этом не нарушается корректность их выполнения.

Кроме этого, в современных ЭВМ используются не только арифметические, но и логические операции.

Для непосредственной связи с человеком устройство управление содержало пульт управления и панель сигнализации. Но в такой конфигурации это блок- схема скорее калькулятора, а не полноценной ЭВМ. В классической схеме ЭВМ предусмотрены устройства ввода и вывода. Это устройства ЭВМ, предназначенные для ввода и вывода массивов информации в формах, удобных для использования человеком, например в виде печатного текста. Кроме этого, к устройствам ввода/вывода относятся устройства хранения информации вне ЭВМ и переноса на другие ЭВМ. Это накопители на внешних носителях: перфокартах, магнитных лентах, дисках и т.д. Все эти устройства традиционно относят к внешним устройствам.

Внешними устройствами могут быть устройства:

внешней памяти,

ввода,

вывода,

связи с внешним объектом.

Устройства внешней памяти – это устройства энергонезависимой памяти, обычно на основе записи на магнитную поверхность или на электронных схемах с использованием МДП-транзисторов с плавающим затвором (флэш-память) для хранения и/или передачи данных на другие цифровые устройства.

Устройство ввода – это любое устройство ввода данных и программ в оперативную память ЭВМ (клавиатура, перфокарты, магнитные ленты, магнитные диски и т.д.).

Устройство вывода – это любое устройство вывода данных и программ из оперативной памяти (принтер, магнитная лента, магнитные диски и т.д.). В большинстве современных ЭВМ оперативная память – энергозависимая. По этой причине операции ввода/ выводы необходимы при включении и выключении ЭВМ.

Устройство связи с внешним объектом – это любое устройство, подключенное к ЭВМ, включая сетевые объекты.

Операция ввода/вывода – это операция передачи информации между оперативной памятью и внешними устройствами. Для её реализации требуется задать адрес источника, например адрес на магнитном диске, адрес приемника (начальный адрес в оперативной памяти) и количество передаваемых данных. Затем следует подать серию команд чтения каждой единицы информации из источника и записи в приемник, т.е. операция ввода/вывод требует программы управления (драйвера).

В дальнейшем, по мере развития ЭВМ устройства УУ и АЛУ рассматриваться как одно устройство программной обработки данных под названием  процессор.

В первых ЭВМ использовали чисто программные методы организации процедуры ввода/вывода. По этой причине на рис.1 устройства ввода/вывода соединены с оперативной памятью, не напрямую, а через процессор. Процессор осуществлял операции ввода/вывода, выбирая каждую единицу передаваемых данных на свои регистры по одной команде программы драйвера, а затем, по другой команде, пересылал ее по адресу приемника, подсчитывая количество передаваемых данных и модифицируя адреса источника и приемника.

В более поздних моделях для организации процедур ввода/вывода стали использовать дополнительные специализированные процессоры ввода/вывода. Примером может служить модели семейства ЭВМ IBM/360.

Структура моделей семейства ЭВМ IBM/360.

Это структуры первого семейства программно-совместимых моделей с явно выделенными процессорами ввода/вывода (канальными процессорами или просто каналами). Блок схема моделей ЭВМ IBM/360 представлена на рис. 1.2.

Каждая модель семейства ЭВМ IBM/360 является системой с изменяемой конфигурацией. Она содержит ядро и систему ввода/вывода с изменяемой конфигурацией.

В свою очередь ядро системы предусматривает наращивание блоков оперативной памяти и процессоров

 

Система ввода/вывода содержит ряд специализированных процессоров ввода/вывода (каналов) с возможностью адресации  до 31 канала. К одному каналу может быть подключено до 256 устройств ввода/вывода (абонентов). Абоненты (или группа однотипных абонентов) подключаются к интерфейсу ввода/вывода через индивидуальные устройства управления для каждого типа абонента.

Операции ввода вывода задаются программой канала. Команда программы канала определяет единичную операцию. Операция канала – это запись или чтение массива чисел или операция управления. Операции управления задают адреса данных в устройствах ввода/вывода, например номер дорожки диска и т.д.

Каждая процедура ввода/вывода задается набором команд канала (программой канала). Каждая команда определяет единичную операцию. Это может быть команда записи или чтения массива чисел, команда управления (например, задание адреса дорожки диска) и т.д..

Устройства ввода/вывода связаны с каналами ядра ЭВМ при помощи стандартных интерфейсов ввода вывода.

Процессор и канал не различают тип конкретных устройств, подсоединенных к интерфейсу ввода/вывода через соответствующий контроллер.

Управление вводом /выводом производится со стороны канала на логическом уровне командами стандартного интерфейса, общими для всех типов подключаемых устройств. Но, в зависимости от физической основы конкретного устройства ввода/вывода, эти команды интерпретируются контроллерами индивидуально в зависимости от физики работы периферийного устройства.

Применение стандартного управления и интерфейса позволило очень просто изменять конфигурацию периферийного окружения ядра ЭВМ с использованием общего для всех моделей семейства парка периферийных устройств.

Программа канала начинается по команде процессора SIO – (старт в/в).

Эта команда передает каналам через ячейку оперативной памяти адрес начала программы канала. Каналы проверяют возможность выполнения первой команды и сообщают процессору о начале выполнения программы или отказе кодом условия (КУ). По завершении выполнения программы ввода/вывода канал сохраняет в 64 ячейке памяти результаты выполнения программы в виде "слова состояния канала" и посылает в  процессор сигнал прерывания. В процедуре прерывания определяется корректность  выполнения процедуры ввода/вывода.

В качестве сервисной подсистемы в современных моделях системы IBM/370 применяется ЭВМ класса PC, которая используется  как средство управления ЭВМ системным инженером (например для управления операциями тестирования) и системным оператором (например для управления последовательностью включения питания, настройки операционной системы).

До перестройки в содружестве социалистических стран самыми массовыми моделями ЭВМ собственной разработки и производства были модели семейства ЕС ЭВМ. Программно они были идентичны моделям семейства ЭВМ IBM/60. Но по физической структуре  это были оригинальные изделия, часто патентоспособные, но уступающие зарубежным образцам по тем или иным показателям. В настоящее время выпуск их прекратился, как неконкурентных изделий. Но фирменные модели последующих поколений семейства IBM  успешно эксплуатируются и сейчас (в меньшей степени и в России). В настоящее время это ЭВМ Z –архитектуры 64-разрядных моделей на основе моделей IBM/370.

Структура моделей семейства мини-ЭВМ PDP-11 корпорации DEC

Семейство мини-ЭВМ PDP-11 корпорации DEC –это первое семейство программно-совместимых моделей ЭВМ от мини до супермини. Блок-схема моделей ЭВМ PDP-11 корпорации DEC представлена на рис. 1.3.

Это семейство  мини ЭВМ является знаковым по следующим причинам:

это первое семейство ЭВМ с системным интерфейсом,

это программная модель процессора с очень эффективными режимами адресациями,

это программная модель процессора, в которой, за счет использования новых режимов адресации, части оперативной памяти можно использовать в качестве отдельных стеков.

ЭВМ этого семейства прошли стадии 16-ти битовой (семейство PDP-11),. 32-х битовой (семейство VAX-11) и 64-х битовой (семейство Alpha) архитектур.

Более подробно программные модели семейства ЭВМ PDP-11, и VAX-11 рассматриваются в разделе 3. (Программные модели МП корпорации DEC).

15)

Компьютер – это техническое средство преобразования информации, в основу работы которого заложены те же принципы обработки электрических сигналов, что и в любом электронном устройстве:

входная информация, представленная различными физическими процессами, как электрической, так и неэлектрической природы (буквами, цифрами, звуковыми сигналами и т.д.), преобразуется в электрический сигнал;

сигналы обрабатываются в блоке обработки;

с помощью преобразователя выходных сигналов обработанные сигналы преобразуются в неэлектрические сигналы (изображения на экране).

Назначение компьютера – обработка различного рода информации и представление ее в удобном для человека виде.

С позиции функционального назначения компьютер – это система, состоящая из 4-х основных устройств, выполняющих определенные функции: запоминающего устройства или памяти, которая разделяется на оперативную и постоянную, арифметико-логического устройства (АЛУ), устройства управления (УУ) и устройства ввода-вывода (УВВ). Рассмотрим их роль и назначение.

Запоминающее устройство (память) предназначается для хранения информации и команд программы в ЭВМ. Информация, которая хранится в памяти, представляет собой закодированные с помощью 0 и 1 числа, символы, слова, команды, адреса и т.д.

Под записью числа в память понимают размещение этого числа в ячейке по указанному адресу и хранение его там до выборки по команде программы. Предыдущая информация, находившаяся в данной ячейке, перезаписывается. При программировании, например, на языке Паскаль или Си, адрес ячейки связан с именем переменной, которое представляется комбинацией букв и цифр, выбираемых программистом.

Под считыванием числа из памяти понимают выборку числа из ячейки с указанным адресом. При этом копия числа передается из памяти в требуемое устройство, а само число остается в ячейке.

Пересылка информации означает, что информация читается из одной ячейки и записывается в другую.

Адрес ячейки формируется в устройстве управления (УУ), затем поступает в устройство выборки адреса, которое открывает информационный канал и подключает нужную ячейку.

Числа, символы, команды хранятся в памяти на равноправных началах и имеют один и тот же формат. Ни для памяти, ни для самого компьютера не имеет значения тип данных. Типы различаются только при обработке данных программой. Длину, или разрядность, ячейки определяет количество двоичных разрядов (битов). Каждый бит может содержать 1 или 0. В современных компьютерах длина ячейки кратна 8 битам и измеряется в байтах. Минимальная длина ячейки, для которой можно сформировать адрес, равна 1 байту, состоящему из 8 бит.

Для характеристики памяти используются следующие параметры:

емкость памяти – максимальное количество хранимой информации в байтах;

быстродействие памяти – время обращения к памяти, определяемое временем считывания или временем записи информации.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ). Производит арифметические и логические действия.

Следует отметить, что любую арифметическую операцию можно реализовать с использованием операции сложения.

Сложная логическая задача раскладывается на более простые задачи, где достаточно анализировать только два уровня: ДА и НЕТ.

Устройство управления (УУ) управляет всем ходом вычислительного и логического процесса в компьютере, т.е. выполняет функции "регулировщика движения" информации. УУ читает команду, расшифровывает ее и подключает необходимые цепи для ее выполнения. Считывание следующей команды происходит автоматически.

Фактически УУ выполняет следующий цикл действий:

формирование адреса очередной команды;

чтение команды из памяти и ее расшифровка;

выполнение команды.

В современных компьютерах функции УУ и АЛУ выполняет одно устройство, называемое центральным процессором.

16)

В конце XIX века Герман Холлерит в Америке изобрел счетно-перфорационные машины. В них использовались перфокарты для хранения числовой информации.

  

Каждая такая машина могла выполнять только одну определенную программу, манипулируя с перфокартами и числами, пробитыми на них.

 

Счетно-перфорационные машины осуществляли перфорацию, сортировку, суммирование, вывод на печать числовых таблиц. На этих машинах удавалось решать многие типовые задачи статистической обработки, бухгалтерского учета и другие.

 

Г. Холлерит основал фирму по выпуску счетно-перфорационных машин, которая затем была преобразована в фирму IBM — ныне самого известного в мире производителя компьютеров.

 

Непосредственными предшественниками ЭВМ были релейные вычислительные машины.

 

К 30-м годам XX века получила большое развитие релейная автоматика, которая позволяла кодировать информацию в двоичном виде.

 

В процессе работы релейной машины происходят переключения тысяч реле из одного состояния в другое.

 

В первой половине XX века бурно развивалась радиотехника. Основным элементом радиоприемников и радиопередатчиков в то время были электронно-вакуумные лампы.

 

Электронные лампы стали технической основой для первых электронно-вычислительных машин (ЭВМ).

 

 

Первая ЭВМ — универсальная машина на электронных лампах построена в США в 1945 году.

 

Э та машина называлась ENIAC (расшифровывается так: электронный цифровой интегратор и вычислитель). Конструкторами ENIAC были Дж.Моучли и Дж.Эккерт.

 

Скорость счета этой машины превосходила скорость релейных машин того времени в тысячу раз.

 

Первый электронный компьютер ENIAC программировался с помощью штеккерно-коммутационного способа, то есть программа строилась путем соединения проводниками отдельных блоков машины на коммутационной доске.

 

Эта сложная и утомительная процедура подготовки машины к работе делала ее неудобной в эксплуатации.

 

Основные идеи, по которым долгие годы развивалась вычислительная техника, были разработаны крупнейшим американским математиком Джоном фон Нейманом

 

В 1946 году в журнале «Nature» вышла статья Дж. фон Неймана, Г. Голдстайна и А. Беркса «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства».

 

В этой статье были изложены принципы устройства и работы ЭВМ. Главный из них — принцип хранимой в памяти программы, согласно которому данные и программа помещаются в общую память машины.

 

Принципиальное описание устройства и работы компьютера принято называть архитектурой ЭВМ. Идеи, изложенные в упомянутой выше статье, получили название «архитектура ЭВМ Дж. фон Неймана».

 

В 1949 году была построена первая ЭВМ с архитектурой Неймана — английская машина EDSAC.

 

Годом позже появилась американская ЭВМ EDVAC. Названные машины существовали в единственных экземплярах. Серийное производство ЭВМ началось в развитых странах мира в 50-х годах.

 

В нашей стране первая ЭВМ была создана в 1951 году. Называлась она МЭСМ — малая электронная счетная машина. Конструктором МЭСМ был Сергей Алексеевич Лебедев

 

Под руководством С.А. Лебедева в 50-х годах были построены серийные ламповые ЭВМ БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), БЭСМ-2, М-20.

 

В то время эти машины были одними из лучших в мире.

 

В 60-х годах С.А. Лебедев руководил разработкой полупроводниковых ЭВМ БЭСМ-ЗМ, БЭСМ-4, М-220, М-222.

 

Выдающимся достижением того периода была машина БЭСМ-6. Это первая отечественная и одна из первых в мире ЭВМ с быстродействием 1 миллион операций в секунду. Последующие идеи и разработки С.А. Лебедева способствовали созданию более совершенных машин следующих поколений.

 

 

Электронно-вычислительную технику принято делить на поколения

Смены поколений чаще всего были связаны со сменой элементной базы ЭВМ, с прогрессом электронной техники.

 

Это всегда приводило к росту вычислительной мощности ЭВМ, то есть быстродействия и объема памяти.

 

Но это не единственное следствие смены поколений. При таких переходах, происходили существенные изменения в архитектуре ЭВМ, расширялся круг задач, решаемых на ЭВМ, менялся способ взаимодействия между пользователем и компьютером.

 

Первое поколение ЭВМ — ламповые машины 50-х годов. Скорость счета самых быстрых машин первого поколения доходила до 20 тысяч операций в секунду (ЭВМ М-20).

 

Для ввода программ и данных использовались перфоленты и перфокарты.

 

Поскольку внутренняя память этих машин была невелика (могла вместить в себя несколько тысяч чисел и команд программы), то они, главным образом, использовались для инженерных и научных расчетов, не связанных с переработкой больших объемов данных.

 

Э то были довольно громоздкие сооружения, содержавшие в себе тысячи ламп, занимавшие иногда сотни квадратных метров, потреблявшие электроэнергию в сотни киловатт

 

Программы для таких машин составлялись на языках машинных команд. Это довольно трудоемкая работа.

 

Поэтому программирование в те времена было доступно немногим.

 

В 1949 году в США был создан первый полупроводниковый прибор, заменяющий электронную лампу. Он получил название транзистор. Транзисторы быстро внедрялись в радиотехнику.

 

 

Второе поколение ЭВМ

В 60-х годах транзисторы стали элементной базой для ЭВМ второго поколения.

П ереход на полупроводниковые элементы улучшил качество ЭВМ по всем параметрам: они стали компактнее, надежнее, менее энергоемкими

 

Быстродействие большинства машин достигло десятков и сотен тысяч операций в секунду.

 

Объем внутренней памяти возрос в сотни раз по сравнению с ЭВМ первого поколения.

 

Большое развитие получили устройства внешней (магнитной) памяти: магнитные барабаны, накопители на магнитных лентах.

 

Благодаря этому появилась возможность создавать на ЭВМ информационно-справочные, поисковые системы.

 

Такие системы связаны с необходимостью длительно хранить на магнитных носителях большие объемы информации.

 

Во времена второго поколения активно стали развиваться языки программирования высокого уровня. Первыми из них были ФОРТРАН, АЛГОЛ, КОБОЛ.

 

Составление программы перестало зависеть от модели машины, сделалось проще, понятнее, доступнее.

 

 Программирование как элемент грамотности стало широко распространяться, главным образом среди людей с высшим образованием.

 

 

Т ретье поколение ЭВМ создавалось на новой элементной базе — интегральных схемах. С помощью очень сложной технологии специалисты научились монтировать на маленькой пластине из полупроводникового материала, площадью менее 1 см, достаточно сложные электронные схемы.

 

Их назвали интегральными схемами (ИС)

 

Первые ИС содержали в себе десятки, затем — сотни элементов (транзисторов, сопротивлений и др.).

 

Когда степень интеграции (количество элементов) приблизилась к тысяче, их стали называть большими интегральными схемами — БИС; затем появились сверхбольшие интегральные схемы — СБИС.

 

ЭВМ третьего поколения начали производиться во второй половине 60-х годов, когда американская фирма IBM приступила к выпуску системы машин IBM-360. Это были машины на ИС.

 

Немного позднее стали выпускаться машины серии IBM-370, построенные на БИС.

 

В Советском Союзе в 70-х годах начался выпуск машин серии ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ) по образцу IBM-360/370.

 

Переход к третьему поколению связан с существенными изменениями архитектуры ЭВМ.

 

Появилась возможность выполнять одновременно несколько программ на одной машине. Такой режим работы называется мультипрограммным (многопрограммным) режимом.

 

Скорость работы наиболее мощных моделей ЭВМ достигла нескольких миллионов операций в секунду.

 

На машинах третьего поколения появился новый тип внешних запоминающих устройств — магнитные диски.

 

Как и на магнитных лентах, на дисках можно хранить неограниченное количество информации.

 

Но накопители на магнитных дисках (НМД) работают гораздо быстрее, чем НМЛ.

 

Широко используются новые типы устройств ввода-вывода: дисплеи, графопостроители.

 

В этот период существенно расширились области применения ЭВМ. Стали создаваться базы данных, первые системы искусственного интеллекта, системы автоматизированного проектирования (САПР) и управления (АСУ).

 

В 70-е годы получила мощное развитие линия малых (мини) ЭВМ. Своеобразным эталоном здесь стали машины американской фирмы DEC серии PDP-11.

 

В нашей стране по этому образцу создавалась серия машин СМ ЭВМ (Система Малых ЭВМ). Они меньше, дешевле, надежнее больших машин.

 

Машины этого типа хорошо приспособлены для целей управления различными техническими объектами: производственными установками, лабораторным оборудованием, транспортными средствами. По этой причине их называют управляющими машинами.

 

Во второй половине 70-х годов производство мини-ЭВМ превысило производство больших машин.

 

 

Четвертое поколение ЭВМ

Очередное революционное событие в электронике произошло в 1971 году, когда американская фирма Intel объявила о создании микропроцессора.

М икропроцессор — это сверхбольшая интегральная схема, способная выполнять функции основного блока компьютера — процессора

 

Микропроцессор — это миниатюрный мозг, работающий по программе, заложенной в его память.

 

Первоначально микропроцессоры стали встраивать в различные технические устройства: станки, автомобили, самолеты. Такие микропроцессоры осуществляют автоматическое управление работой этой техники.

 

Соединив микропроцессор с устройствами ввода-вывода, внешней памяти, получили новый тип компьютера: микроЭВМ

 

МикроЭВМ относятся к машинам четвертого поколения.

 

Существенным отличием микроЭВМ от своих предшественников являются их малые габариты (размеры бытового телевизора) и сравнительная дешевизна.

 

Это первый тип компьютеров, который появился в розничной продаже.

 

Самой популярной разновидностью ЭВМ сегодня являются персональные компьютеры

Появление феномена персональных компьютеров связано с именами двух американских специалистов: Стива Джобса и Стива Возняка.

 

В 1976 году на свет появился их первый серийный ПК Apple-1, а в 1977 году — Apple-2.

 

Сущность того, что такое персональный компьютер, кратко можно сформулировать так:

 

ПК — это микроЭВМ с «дружественным» к пользователю аппаратным и программным обеспечением.

  

В аппаратном комплекте ПК используется

цветной графический дисплей,

манипуляторы типа «мышь»,

«джойстик»,

удобная клавиатура,

удобные для пользователя компактные диски (магнитные и оптические).

Программное обеспечение позволяет человеку легко общаться с машиной, быстро усваивать основные приемы работы с ней, получать пользу от компьютера, не прибегая к программированию.

 

Общение человека и ПК может принимать форму игры с красочными картинками на экране, звуковым сопровождением.

Н еудивительно, что машины с такими свойствами быстро приобрели популярность, причем не только среди специалистов.

 

ПК становится такой же привычной бытовой техникой, как радиоприемник или телевизор. Их выпускают огромными тиражами, продают в магазинах.

С 1980 года «законодателем мод» на рынке ПК становится американская фирма IBM.

 

Ее конструкторам удалось создать такую архитектуру, которая стала фактически международным стандартом на профессиональные ПК. Машины этой серии получили название IBM PC (Personal Computer).

 

В конце 80-х — начале 90-х годов большую популярность приобрели машины фирмы Apple Corporation марки Macintosh. В США они широко используются в системе образования.

 

П оявление и распространение ПК по своему значению для общественного развития сопоставимо с появлением книгопечатания.

 

Именно ПК сделали компьютерную грамотность массовым явлением.

 

С развитием этого типа машин появилось понятие «информационные технологии», без которых уже становится невозможным обойтись в большинстве областей деятельности человека.

Е сть и другая линия в развитии ЭВМ четвертого поколения. Это — суперЭВМ. Машины этого класса имеют быстродействие сотни миллионов и миллиарды операций в секунду.

 

Первой суперЭВМ четвертого поколения была американская машина ILLIAC-4, за ней появились CRAY, CYBER и др.

 

Из отечественных машин к этой серии относится многопроцессорный вычислительный комплекс ЭЛЬБРУС.

 

 

Э ВМ пятого поколения — это машины недалекого будущего. Основным их качеством должен быть высокий интеллектуальный уровень.

 

Машины пятого поколения — это реализованный искусственный интеллект.

 

В них будет возможным ввод с голоса, голосовое общение, машинное «зрение», машинное «осязание».

 

Многое уже практически сделано в этом направлении.

 

17)

Разнообразие форм и областей использования ЭВМ породило широкий спектр машин, различающихся по техническим характеристикам и устройству. Ввиду высоких темпов совершенствования вычислительной техники, классификация её по типам весьма условна, поскольку количественные характеристики классификационных признаков часто меняются. С учетом этого можно сказать, что существуют следующие основные типы ЭВМ:

        суперкомпьютеры;

        мэйнфреймы (mainframe);

        серверы и рабочие станции;

        персональные компьютеры (мини ЭВМ);

        специализированные компьютеры.

Суперкомпьютеры, как явствует из названия, стоят на вершине иерархии вычислительных машин, они обладают наивысшей достигнутой в настоящий момент производительностью и являются флагманом прогресса в вычислительной технике, так как многие новинки, впервые примененные в суперкомпьютерах, затем используются в компьютерах других классов.

В настоящее время в области суперкомпьютеров лидируют фирмы NEC, Silicon Graphics и IBM. В США, лидирующих в области строительства суперкомпьютеров, реализуется проект Ускоренной стратегической компьютерной инициативы (ASCI). осуществляемый с 1996 года для оснащения крупнейших исследовательских лабораторий страны (в частности, центра ядерных исследований в Лос Аламосе) с целью перехода от методов натуральных ядерных испытаний к методам, основанным на вычислительных возможностях. Сейчас самыми мощными суперкомпьютерами в мире являются:

1.     Blue Gene/L (создан компанией IBM), пиковая производительность 280.6 Tflops (триллионов операций над числами с плавающей точкой в секунду)- принадлежит министерству энергетики США, установлен в Национальной лаборатории имени Эрнеста Лоуренса в Ливерморе (LLNL), используется для моделирования поведения ядерного оружия;

2.     Схожий, но меньшего масштаба компьютер eServer Blue Gene Solution system (IBM), производительностью 91.2 Tflops, установлен в исследовательском центре Thomas J. Watson Research Center, используется для научных и бизнес- исследований;

3.     Компьютер Purple system, разработан IBM в рамках программы ASCI для LLNL, имеет производительность 63.4 Tflops, собран из серверов eSeries 575.

Производительность самых быстрых существующих суперкомпьютеров регулярно оценивается тестом Linpack, основанном на решении линейных уравнений. Результаты тестирования дважды в год публикуются в отчете "ТОР 500". С содержанием последнего отчёта (ноябрь 2007 года) можно ознакомиться на сайте www.top500.org .

Существует также рейтинг 50-ти наиболее мощных вычислительных систем, установленных на территории стран СНГ. Системы ранжируются по результатам, показанным в тесте Linpack. Рейтинг обновляется 2-ды в год. Осенью 2004 года самым мощным в странах СНГ был признан компьютер "Скиф К-1000" производительностью 2,032 Tflops- создан в рамках российско-белорусской программы "СКИФ", установлен в Минске. Этот компьютер создан на базе 576-ти процессоров AMD Opteron с тактовой частотой 2.20 ГГц.

Разрабатывать, создавать и содержать суперкомпьютеры очень дорого, их стоимость пропорциональна производительности и составляет от сотен тысяч до десятков миллионов долларов.

Дорогостоящая погоня за максимальной производительностью суперкомпьютеров имеет практическую основу: благодаря высокой скорости работы, эти вычислительные комплексы позволяют выполнять математическое моделирование и имитацию различных природных процессов - климата и землетрясения, помогают разведке полезных ископаемых, активно используются автомобильными, аэрокосмическими и химическими компаниями для разработки новой техники, используются финансовыми компаниями для пересчёта в режиме реального времени цен пакетов акции с учетом текущего состояния дел на рынке, для анализа риска финансовых операций. В кинематографе суперкомпьютеры применяются для создания искусственных образов с высокой степенью реалистичности. Огромное значение уделяется моделированию ядерных взрывов для проверки ядерных запасов на предмет порчи и старения. Это даёт наиболее развитым странам огромное преимущество перед остальным миром в условиях моратория на ядерные испытания.

Мэйнфреймами называются большие универсальные компьютеры, стоимость и производительность которых ниже суперкомпьютеров, но существенно выше компьютеров других классов.

Традиционно, мэйнфреймы использовались для централизованной обработки информации в крупных учреждениях, ими оснащались вычислительные центры больших научных и учебных заведений, крупных промышленных предприятий, объединений и министерств.

В связи с широким распространением персональных компьютеров и сетей на основе ПК, сфера применения мэйнфреймов сузилась, но они по-прежнему остаются более эффективными по сравнению с локальными сетями, построенными на персональных компьютерах, при числе пользователей, превышающем 100 человек – в этом случае обслуживание большого количества пользователей, работающих на терминалах, подключенных к одной большой машине, обходится дешевле эксплуатации большого числа персональных компьютеров, соединенных вместе каналами передачи данных.

Традиционным и крупнейшим производителем мэйнфреймов является фирма IBM, которая в 1964 году ввела сам термин "мэйнфрейм" и создала первые компьютеры этого типа- машины семейства System 360 и System 370. Они могли использоваться для научно-инженерных расчетов и обработки изображений, поддерживать базы данных терабайтных объемов, обслуживать локальные и глобальные сети. В начале 90-х годов IBM продолжила эволюционное развитие мэйнфреймов – новая серия вычислительных систем этого типа получила название System 390. В 2000 г. появилось их шестое поколение - System 390 G6.

В настоящее время флагманом мэйнфреймов стала серия компьютеров IBM eServer zSeries 900, оптимизированная для задач электронного бизнеса. В ее состав входят 64-разрядные многопроцессорные системы с оперативной памятью объемом 64 Гбайт и с пропускной способностью системы ввода-вывода и адаптеров сетевых каналов, составляющей 24 и 3 Гбайт/с соответственно. Производительность zSeries 900 превышает 2500 MIPS. Каждая машина zSeries 900 может работать автономно или в составе кластера из 32 вычислительных систем совместно с другими компьютерами zSeries и системами IBM System 390.

Самый мощный на сегодняшний день мэйнфрейм - это модель eServer zSeries 990 (кодовое название T-Rex, "Тиранозавр"). Подобные системы предназначены для компаний финансового сектора и других отраслей, где требуется максимальная отказоустойчивость, защита информации и высокие вычислительные возможности. Стоимость нового IBM eServer zSeries 990 начинается с 1 млн долларов. Производительность 32-процессорной системы zSeries 990 составляет 9000 MIPS.

Сейчас компании IBM принадлежит около 95% мирового рынка мэйнфреймов. Другие крупные производители машин этого класса - фирмы Tandem Computers, Unisys Corp., Digital. Российские производители вычислительной техники совместно с IBM разработали в 1994 году компьютер ЕС 1200 - отечественный аналог мэйнфрейма IBM System 390, совместимый как с персональными компьютерами, так и с существующими отечественными мэйнфреймами серии ЕС ЭВМ, которыми в Советском Союзе долгие годы оснащались многочисленные вычислительные центры.

Для мэйнфреймов разработаны офисные и издательские пакеты программ, средства графики, трехмерного моделирования, САПР, трансляторы с различных языков высокого уровня, средства разработки программ, пакеты математической статистики, программное обеспечение для научных исследований, средства автоматизации управления производством, средства автоматизации банковской деятельности. Мэйнфреймы активно производятся, совершенствуются и используются, хотя вследствие дороговизны этих устройств их применение экономически эффективно для решения далеко не любой задачи. Как правило, их использование рентабельно при высоких требованиях к производительности (от 100 млн. операций в секунду) и к защищенности от несанкционированного доступа и сбоев, при необходимости централизованного хранения и обработки больших объемов данных.

Серверами называют мощные машины, превосходящие по мощности персональные компьютеры. Назначение серверов - управлять работой компьютерной сети (сетевые серверы) и хранить на магнитных дисках большой объем информации, используемой в сети (файловые серверы). Серверы, в отличие от офисных ПК, оснащаются несколькими 64-разрядными RISC-процессорами. Младшие модели серверов могут оснащаться одним или несколькими процессорами Intel Core 2 Duo/Quad, Хеоn, AMD Opteron. В качестве операционных систем на серверах используют различные версии UNIX, Windows NT, Solaris.

Рабочие станции - это компьютеры, мощность которых сопоставима с вычислительной способностью серверов, но представляющие собой не сетевые машины, а индивидуальные вычислительные системы, предназначенные для автоматизированного проектирования, компьютерной графики, компьютерного моделирования и анализа, обработки и распознавания изображений, картографии. Как правило, рабочие станции оснащаются высокопроизводительными видеоадаптерами и дорогими высококачественными дисплеями, мощными RISC-процессорами и объемной оперативной памятью. В то же время в качестве недорогих рабочих станций могут использоваться мощные персональные компьютеры, оснащенные высокопроизводительными 2D/3D графическими ускорителями.

Термином "персональный компьютер" в наши дни охватывается широкий спектр машин - от крошечного PALM-TOP размером с блокнот, до настольных систем с процессорами Intel Core 2 Extreme или АМD Phenom x4, производительность которых сравнима с производительностью рабочих станций и серверов. Общим для ПК является их сравнительная простата, дешевизна и универсальность, они не ориентированы на применение в какой-либо узкой области.

Специализированными называются вычислительные машины, ориентированные на узкую область применения, например в качестве бортового компьютера самолета, космического корабля, автомобиля или для управления оборудованием.

18)

Основная компоновка частей компьютера и связь между ними называется архитектурой. При описании архитектуры компьютера определяется состав входящих в него компонент, принципы их взаимодействия, а также их функции и характеристики.

Практически все универсальные ЭВМ отражают классическую неймановскую архитектуру, представленную на схеме. Эта схема во многом характерна как для микроЭВМ, так и для мини ЭВМ и ЭВМ общего назначения.

 

Рис. 1 Архитектура персонального компьютера

Рассмотрим устройства подробнее.

Основная часть системной платы — микропроцессор (МП) или CPU (Central Processing Unit), он управляет работой всех узлов ПК и программой, описывающей алгоритм решаемой задачи. МП имеет сложную структуру в виде электронных логических схем. В качестве его компонент можно выделить:

A). АЛУ - арифметико-логическое устройство, предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над данными и адресами памяти;

Б). Регистры или микропроцессорная память — сверхоперативная память, работающая со скоростью процессора, АЛУ работает именно с ними;

B). УУ - устройство управления - управление работой всех узлов МП посредством выработки и передачи другим его компонентам управляющих импульсов, поступающих от кварцевого тактового генератора, который при включении ПК начинает вибрировать с постоянной частотой (100 МГц, 200-400 МГц). Эти колебания и задают темп работы всей системной платы;

Г). СПр - система прерываний - специальный регистр, описывающий состояние МП, позволяющий прерывать работу МП в любой момент времени для немедленной обработки некоторого поступившего запроса, или постановки его в очередь; после обработки запроса СПр обеспечивает восстановление прерванного процесса;

Д). Устройство управления общей шиной — интерфейсная система.

Для расширения возможностей ПК и повышения функциональных характеристик микропроцессора дополнительно может поставляться математический сопроцессор, служащий для расширения набора команд МП. Например, математический сопроцессор IBM-совместимых ПК расширяет возможности МП для вычислений с плавающей точкой; сопроцессор в локальных сетях (LAN-процессор) расширяет функции МП в локальных сетях.

Характеристики процессора:

быстродействие (производительность, тактовая частота) — количество операций, выполняемых в секунду.

разрядность — максимальное количество разрядов двоичного числа, над которыми одновременно может выполняться машинная операция.

 

Пример 2.5.1. Первый процессор был 4-разрядным, то есть работал с числами, представляемыми 4 двоичными разрядами - 2'*= 16 чисел, 16 адресов.

16-разрядный процессор одновременно может работать с 2¹⁶=б5536 числами и адресами. 32-разрядный - 2³²=4 294 967 296.чисел.

При тактовой частоте 33 МГц обеспечивается выполнение 7 млн. коротких машинных операций (+,*, пересылка информации); при частоте 100 МГц -20 млн. аналогичных операций.