4. Основні етапи розвитку обчислювальної техніки. Класифікація та основні характеристики сучасних комп’ютерів. Розвязування задачі з використанням комп’ютера. Поняття інформаційної моделі задачі.

Основними етапами розвитку обчислювальної техніки є:

I. Ручний — з 50-го тисячоліття до н. э.;

II. Механічний — з середини XVII століття;

III. Електромеханічний — з дев'яностих років XIX століття;

IV. Електронний — з сорокових років XX століття.

I. Ручний період автоматизації обчислень почався на зорі людської цивілізації. Він базувався на використанні пальців рук і ніг. Обчислення на них проводилися шляхом переміщення рахункових кісток і камінчиків (калькулей) в полосових поглибленнях дощок з бронзи, каменя, слонячої кістки, кольорового скла.

Першим пристроєм для виконання множення був набір дерев'яних брусків, відомих як палички Непера. Вони були винайдені шотландцем Джоном Непером (1550-1617рр.). На такому наборі з дерев'яних брусків була розміщена таблиця множення.

II. Розвиток механіки в XVII столітті став передумовою створення обчислювальних пристроїв і приладів, що використовують механічний спосіб обчислень.

Ескіз механічного тринадцятирозрядного пристрою, що підсумовує, з десятьма колесами був розроблений ще Леонардо да Вінчі (1452— 1519рр). Перша механічна рахункова машина була виготовлена в 1623 р. професором математики Вільгельмом Шиккардом (1592—1636рр.). В ній були механізовані операції складання і віднімання, а множення і ділення виконувалося з елементами механізації. Але машина Шиккарда незабаром згоріла під час пожежі. Тому біографія механічних обчислювальних пристроїв ведеться від машини, що підсумовує, виготовленої у 1642 р. Блезом Паскалем (1623—1662), надалі великим математиком і фізиком.

У 1673 р. інший великий математик ГотфрідЛейбніц розробив рахунковий пристрій, на якому вже можна було множити і ділити.

III. Електромеханічний етап розвитку обчислювальної техніки є найменш тривалим і охоплює близько 60 років — від першого табулятора Г.Холлерита до першої ЕОМ “ENIAC”.

В кінці XIX ст. були створені складніші механічні пристрої. Найважливішим з них був пристрій, розроблений американцем Германом Холлерітом. Винятковість його полягала в тому, що в ньому вперше була спожита ідея перфокарт і розрахунки велися за допомогою електричного струму.

1937 р. — Дж. Атанасов, К.Берри створюють електронну машину ABC.

1944 р. — Г.Айкен розробляє і створює керовану обчислювальну машину MARK-1. Надалі було реалізовано ще декілька моделей.

IV. Електронний етап, початок якого пов'язують із створенням в США в кінці 1945 р. електронної обчислювальної машини ENIAC американським інженером-електронщиком Дж. П. Эккерт і фізиком Дж.У. Моучлі.

У історії розвитку ЕОМ прийнято виділяти декілька поколінь, кожне з яких має свої відмітні ознаки і унікальні характеристики

I покоління (до 1955 р.)

Всі ЕОМ I-го покоління були зроблені на основі електронних ламп, що робило їх ненадійними - лампи доводилося часто міняти. Ці комп'ютери були величезними, незручними і дуже дорогими машинами, які могли придбати тільки крупні корпорації і уряди.

Основні комп'ютери першого покоління:

1. ЕНІАК.

У 1946 р. американські інженер-електронщик Дж. П. Эккерт і фізик Дж.У. Моучлі в Пенсільванському університеті сконструювали, за замовленням військового відомства США, першу електронно-обчислювальну машину - “Еніак” (ElectronicNumericalIntegratorandComputer), яка призначалася для вирішення завдань балістики.

2. ЕДСАК.

Перша машина з програмою, що зберігається, - ”Едсак” - була створена в Кембріджському університеті (Англія) в 1949 р. Вона мала пристрій, що запам'ятовував, на 512 ртутних лініях затримки. Час виконання складання був 0,07 мс, множення - 8,5 мс.

II покоління (1958-1964рр.).

У II-ому поколінні комп'ютерів дискретні транзисторні логічні елементи витіснили електронні лампи. Як носії інформації використовувалися магнітні стрічки ("БЕСМ-6", "Мінськ-2","Урал-14") і магнітні сердечники, з'явилися високопродуктивні пристрої для роботи з магнітними стрічками, магнітні барабани і перші магнітні диски.

Як програмне забезпечення стали використовувати мови програмування високого рівня, були написані спеціальні транслятори з цих мов на мову машинних команд. З'явилися моніторні системи, керівники режиму трансляції і виконання програм.

III покоління (1964-1972рр).

У 1960 р. з'явилися перші інтегральні схеми (ІС), які набули широкого поширення у зв'язку з малими розмірами, але величезними можливостями. ІС - це кремнієвий кристал, площа якого приблизно 10 мм2. ІС здатна замінити десятки тисяч транзисторів. А комп'ютер з використанням ІС досягає продуктивності в 10 млн. операцій в секунду.

Машини третього покоління мають розвинені операційні системи. Вони володіють можливостями мультипрограмування, тобто одночасного виконання декількох програм. Багато завдань управління пам'яттю, пристроями і ресурсами стала брати на себе операційна система або ж безпосередньо сама машина

Приклади машин третього покоління — сімейства IBM-360, IBM-370, ЄС ЕОМ (Єдина система ЕОМ), СМ ЕОМ (Сімейство малих ЕОМ) і ін.

IV покоління (з 1972 р. по теперішній час).

Четверте покоління — це теперішнє покоління комп'ютерної техніки, розроблене після 1970 року. Вперше стали застосовуватися великі інтегральні схеми (ВІС), які по потужності приблизно відповідали 1000 ІС. Це привело до зниження вартості виробництва комп'ютерів.

ПК - настільний або портативний комп'ютер, який використовує мікропроцесор як єдиний центральний процесор, що виконує всі логічні і арифметичні операції. Ці комп'ютери відносять до обчислювальних машин четвертого і п'ятого покоління. Крім ноутбуків, до переносних мікрокомп'ютерів відносять і кишенькові комп'ютери — палмтопи. Основними ознаками ПК є шинна організація системи, висока стандартизація апаратних і програмних засобів, орієнтація на широкий круг споживачів.

Зараз ведуться інтенсивні розробки ЕОМ V покоління. Розробка подальших поколінь комп'ютерів проводиться на основі великих інтегральних схем підвищеного ступеня інтеграції, використання оптоелектронних принципів (лазери, голографія).

Класифікація та основні характеристики сучасних комп’ютерів

Комп'ютери класифікуються за сферою застосування, конструктивним виконанням та іншими критеріями. Наприклад, дотепер використовується така класифікація: суперЕОМ, чи суперкомп'ютери, комп'ютери загального призначення, чи універсальні комп'ютери, або «мейнфрейми» (mainframe), робочі станції, персональні комп'ютери, мобільні комп'ютери. Засновник фірми Microsoft Білл Гейтс, людина, що багато в чому визначає напрямок розвитку комп'ютерної індустрії у світі, ввів таку класифікацію персональних комп'ютерів: сервери, настільні, портативні, кишенькові, ПК-кіоски й інтерактивні телевізори.

Для апаратного забезпечення ГІС можуть використовуватися усі типи комп'ютерів, тобто:

- суперкомп'ютери;

- сервери;

- робочі станції;

- настільні персональні комп'ютери;

- мобільні комп'ютери.

Суперкомп'ютери. Сучасні ЕОМ цього класу характеризуються багатопроцесорною архітектурою і порівняно великими обсягами дискової та оперативної пам'яті. Ці комп'ютери призначені для складних і великих за обсягом наукових розрахунків, зокрема, для тривимірного моделювання різних гідрологічних, атмосферних і геологічних процесів у реальному режимі часу. Основними користувачами такого апаратного забезпечення є великі наукові інститути, що займаються вивченням навколишнього середовища, чи комерційні організації, наприклад, геологорозвідувальні фірми, що аналізують дані сейсмічної або геофізичної розвідки для визначення родовищ корисних копалин.

Сервери. Сервер призначений для роботи в складі локальних чи розподілених обчислювальних систем, виконує певні функції для обслуговування інших комп'ютерів. Залежно від призначення сервери оснащуються наборами комплектуючих з різними технічними характеристиками.

Найбільш поширеним типом цього класу є файл-сервер — високопродуктивний комп'ютер, що виконує функції центрального сховища даних будь-якої організації, наприклад, регіональної ГІС.

Робочі станції. У наш час під робочою станцією розуміють комп'ютер, конфігурація якого оптимізована для виконання певного класу завдань, наприклад, обробки графічних даних.

Більшість сучасних робочих станцій складається зі спеціально підібраних стандартних комплектуючих, готові машини тестуються й оптимізуються для виконання певного набору завдань і програмного забезпечення.

Настільні персональні комп'ютери. Комп'ютери настільної конфігурації призначені для роботи користувача в умовах офісу чи будинку. Комп'ютери цього класу розраховані на виконання порівняно нескладних завдань, що не вимагають значних обчислень, побудови складних тривимірних зображень, збереження й обробки великих масивів даних.

Мобільні комп'ютери. Перший мобільний комп'ютер був створений ще в 1980 р. і важив 12 кг. Сучасні мобільні комп'ютери мають технічні характеристики, які нічим не поступаються характеристикам настільних моделей при істотно менших розмірах і вазі. Розміри більшості моделей переносних комп'ютерів класу Notebook (записна книжка) не перевищують розмірів великої папки при вазі менше 3 кг.

Створення інтегрованих багатофункціональних мікросхем зумовила появу нового класу комп'ютерів — palmtop (надолонні комп'ютери). При розмірах записної книжки і вазі до 150-200 г ці комп'ютери мають багато функцій своїх повнорозмірних аналогів. Останні моделі оснащені повнокольоровими рідинно-кристалічними моніторами, чуттєвими до натискання, портами для підключення зовнішніх пристроїв збереження даних, засобами зв'язку з настільними комп'ютерами. Ці пристрої можуть бути оснащені процесорами з швидкодією 200-400 МГц і 64 Мб оперативної пам'яті, що дозволяє використовувати полегшену версію операційної системи Windows СЕ і відповідний набір службових утиліт та офісних програм. Введення інформації здійснюється за допомогою чуттєвого екрана і системи розпізнавання рукописних символів. Деякі моделі оснащуються радіомодемами на основі мобільних телефонів, що дозволяє використовувати електронну пошту і переглядати вміст Web-сторінок.

Складові частини ПК та їх характеристики

Основними компонентами, що входять до конфігурації основних типів комп'ютерів, є:

- центральний процесор;

- материнська плата;

- оперативна пам'ять;

- накопичувані на твердих магнітних дисках;

- накопичувані на змінних магнітних і оптичних дисках;

- відеокарта чи відеоприскорювач;

- порти для підключення периферійних пристроїв.

Центральний процесор. Процесор (processor) — функціональна частина обчислювальної машини (комп'ютера), призначена для інтерпретації програм. Саме в процесорі комп'ютерна програма перетворюється в якісь дії — показ на моніторі символів чи зображень; запис чи читання даних із пристроїв збереження; команди периферійним пристроям.

Материнська плата. Материнська плата (motherboard) призначена для кріплення і з'єднання всіх інших вузлів комп'ютера в системному блоці. Являє собою пластину з пластикового ізоляційного матеріалу, на яку напаяні з'єднання і гнізда длякріплення процесора й інших чипів, оперативної пам'яті, гнізда для плат розширення, елементи електроживлення та ін.

Основу материнської плати складає системна шина — ряд рівнобіжних провідників для передачі 32-розрядних машинних чисел, за допомогою яких виробляється обмін даними між процесором, оперативною пам'яттю, накопичувачами інформації, платами, керуючими зовнішніми пристроями і ін. Швидкодія такого обміну залежить від частоти системної шини — 133, 266, 333, 400, 533 чи 800 МГц.

До обов'язкового набору мікросхем на сучасній платі входять два чипи (так звані Північний і Південний порти), що дозволяють процесору працювати з численним набором різних комплектуючих в умовах постійного відновлення стандартів, протоколів обміну даними та ін. Чип базової системи введення-виведення інформації (BIOS) зберігає інформацію про конфігурацію компонентів системи, відслідковує наявність і настроювання основних пристроїв і керує комп'ютером при відключеному живленні та на початкових етапах завантаження ОС.

Оперативна пам'ять. Оперативна пам'ять призначена для розміщення програм і даних, використовуваних процесором безпосередньо в процесі поточної роботи. Складається з комірок для запису, збереження і зчитування даних, об'єднаних у 32-розрядні адресні регістри.Технічні характеристики оперативної пам'яті визначаються місткістю і швидкістю обміну із системною шиною.

Накопичувачі на твердих магнітних дисках. Накопичувачі на твердих магнітних дисках (HDD, вінчестери) призначені для збереження програм і даних протягом тривалого періоду часу; ця пам'ять не залежить від підключення енергії. Інформація записується у вигляді магнітних плям (міток) на дисках з магнітним покриттям.

Відеокарти і відеоприскорювачі. Відеокарти призначені для перетворення сигналів процесора у відеозображення певного стандарту, що через спеціальне рознімання може бути передана на монітор чи інший пристрій візуалізації.

Засоби зв'язку. Для зв'язку комп'ютерів і побудови обчислювальних комп'ютерних мереж використовуються різні типи з'єднань. Найбільш поширені локальні мережі на основі кабельних і безкабельних з'єднань, а також вилучені з'єднання за допомогою телефонних ліній.

Поняття інформаційної моделі задачі

Інформаційні моделі являють собою сукупність інформації, що характеризує властивості та стан об'єкта і його взаємозв'язки із зовнішнім світом. Такі моделі називають також уявними (тому що вони не мають матеріального втілення), іноді — логічними.

Прикладами інформаційних моделей є усний чи письмовий опис, математичні формули, які відбивають взаємозалежності параметрів об'єкта.

За інструментами реалізації інформаційні моделі поділяються на комп'ютерні і некомп'ютерні моделі.

Сьогодні перевага віддається комп'ютерному моделюванню, яке орієнтоване на застосовування найпотужнішого та найефективнішого інструменту зі створених людиною — комп'ютера. Комп'ютер застосовується для розв'язання найрізноманітніших задач: проведення складних інженерних розрахунків, визначення оптимальної стратегії планування виробництва, опрацювання текстів, створення динамічних графічних зображень тощо.

Процес розв'язання задач з використанням комп'ютера складається з декількох етапів:

Етапи розв'язання задачі за допомогою комп’ютера

етап 1. постановка задачі та її аналіз

Передбачає виявлення сутності задачі. На етапі постановки задачі вирішуються такі питання:

• окреслюються предмет задачі, умови, в яких він знаходиться, бажаний результат розв'язування задачі;

• уточнюється мета розв'язання задачі; визначається, які дані потрібні для її вирішення, а які є несуттєвими; встановлюється, які саме результати та в якому вигляді мають бути знайдені; з'ясовується, чи є обмеження на вхідні дані задачі; при яких умовах можна отримати результат, а при яких — ні; які результати вважатимуться правильними.

етап 2. побудова інформаційної моделі задачі, вибір методу її розв'язування

На цьому етапі розробляється інформаційна модель (спочатку звичайно у вербальній (усній) формі, далі — у знаковій формі), добирається метод розв'язування задачі.

З цією метою реалізуються такі дії:

встановлюються параметри задачі, взаємозв'язки між ними, оцінюється залежність результатів рішення задачі від її параметрів, і на цій основі з урахуванням сутності задачі, мети її постановки створюється інформаційна модель задачі;

задача формалізується (вводиться система умовних позначень, і задача подається у формалізованому вигляді);

здійснюється перехід до знакової інформаційної моделі з використанням прийнятої системи позначень;

аналізуються можливі методи розв'язування задачі та вибирається найбільш ефективний з використанням певних критеріїв.

етап 3. розробка комп'ютерної моделі

Сутність цього етапу полягає у переході від знакової інформаційної моделі до комп'ютерної, тобто в реалізації інформаційної моделі засобами програмного середовища.

Розробка комп'ютерної моделі передбачає такі заходи:

складання алгоритму розв'язування задачі на основі вибраного методу її розв'язування. В результаті цей метод втілюється у послідовність простих дій, які приводять до одержання потрібного результату;

вибір програмного середовища для реалізації алгоритму.

етап 4. комп'ютерний експеримент

Метою комп'ютерного експерименту є одержання інформації, на основі якої можна приймати рішення, робити висновки про властивості об'єкта моделювання або прогнозувати його поведінку в тій чи іншій ситуації.

Цей етап складається з таких дій:

розробка плану проведення експерименту;

випробування комп'ютерної моделі;

аналіз отриманих результатів.

Сутність випробування комп'ютерної моделі полягає у багаторазових запусках програми для опрацювання певних наборів вхідних даних. Іноді за результатами експерименту виникає потреба в уточненні моделі або навіть у внесенні змін у постановку задачі, і тоді весь процес починається знову.