Основы информатики

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 21

компьютеров. И только с 1985г., когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС), все специалисты согласились, что ЭВМ на СБИС – это ЭВМ четвѐртого поколения. В кристалле одной СБИС может размещаться до 10 млн элементов. Основными производителями ЭВМ на СБИС являются фирмы США и Японии.

Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям:

1-ое направление – создание суперЭВМ, представляющих собой комплексы многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус-2" активно использовались в Советском Союзе в областях, требующих большого объема вычислений, прежде всего, в оборонной отрасли. Вычислительные комплексы "Эльбрус-2" эксплуатировались в Центре управления космическими полетами, в ядерных исследовательских центрах. Наконец, именно комплексы "Эльбрус-2" с 1991 года использовались в системе противоракетной обороны и на других военных объектах.

2-ое направление – дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих машин являют-

ся Apple, IBM, PC (XT, AT, PS/2), «Искра», «Электроника», «Мазовия»,

«Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и др. Начиная с четвѐртого поколения ЭВМ стали называть компьютерами.

Благодаря появлению и развитию персональных компьютеров (ПК), вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств – графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети – обязаны своим появлением и развитием именно этой "несерьезной" технике. Но большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, не вымерли и продолжают развиваться. Однако теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было ранее, процент ПК быстро растѐт.

Пятое поколение ЭВМ. ЭВМ пятого поколения – это ЭВМ будущего. Программа разработки ЭВМ этого поколения была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что уже к 1991 году будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 22

С помощью языка Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки – задачи хранения и обработки знаний. Задача ставилась даже так, чтобы для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить им на "почти естественном" языке, что именно от них требуется.

Предполагается, что элементной базой компьютеров 5-го поколения будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры. (Оптоэлектроника – это направление электроники, связанное с вопросами использования оптических и электрических методов обработки информации. Биопроцессоры – это молекулярные системы, в которых может быть создан широкий спектр устройств: вычислитель, система распознавания образов, реактор различных биопроцессов и др.).

На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработки всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчѐтов, достижение большой ѐмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров – устранения барьера между человеком и компьютером.

К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Более 50-ти миллиардов йен инвестиций были потрачены впустую, проект прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако, проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом. Для науки полезны не только еѐ достижения: важно знать и какие пути исследования не приводят к положительным результатам.

Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем из них, кто не

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 23

имеет специальных знаний в области подготовки задач к решению их на компьютерах.

Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы – это компьютерные программы, которые оперируют со знаниями в определѐнной предметной области с целью выработки рекомендаций. Эти системы и искусственные нейронные сети, работающие по принципу биологических нейронных сетей, эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Развиваются и другие направления искусственного интеллекта, например распределенное представление знаний и решение задач в интернете. Благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.

1.4 Современные персональные компьютеры

Современные персональные компьютеры (ПК) в соответствии с принятой классификацией (по элементной базе) следует отнести к ЭВМ четвертого поколения. Но с учетом быстро развивающегося программного обеспечения, многие авторы публикаций относят их к 5-му поколению. Они предназначены для работы в режиме диалога с пользователями.

Персональные компьютеры появились на рубеже 60 – 70-х годов. Американская фирма Intel разработала первый 4-разрядный микропроцессор (МП) 4004 для калькулятора. Он содержал около тысячи транзисторов и мог выполнять 8000 операций в секунду. Вскоре была выпущена 8-битная версия данного МП, получившая название 8008. Оба МП всерьез восприняты не были, поскольку рассчитывались для конкретных применений. Они относятся к МП первого поколения.

В конце 1973 г. Intel разработала однокристальный 8-разрядный МП 8080, рассчитанный для многоцелевых применений. Он был сразу замечен компьютерной промышленностью и быстро стал "стандартным". По стоимости он был доступен даже для любителей. Одни фирмы начали выпускать МП 8080 по лицензиям, другие - предложили его улучшенные варианты. Так, группа инженеров фирмы Intel, образовав собственную фирму Zilog, в 1976 г. выпустила МП Z80, сохраняющий базовую архитектуру 8080. Фирма Motorola разработала собственный 8-разрядный МП М6800, получивший широкое применение.

Первого апреля 1976 года в США Возняк и Джобс зарегистрировали ПК

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 24

Apple Computer Company. И уже в июле этого года в магазинах появился компьютер Apple-1, который стал пользоваться спросом. Его успех был вызван простотой операционной системы. Прежде ПК управлялись через "командную строку", и пользователь, для того чтобы ставить задачи компьютеру, должен был хотя бы немного быть программистом. Создание же "мышки" и графически удобного интерфейса сделало ПК доступным для "чайников", то есть для людей, мало что понимающих в компьютерах, и во многом определило успех

Apple-1.

Созданная в 1911 г. фирма IBM (современное название IBM – 1924 г.) обратила внимание на ПК тогда, когда рынок "вырос из пеленок". К 1980 году только в США уже было продано более миллиона ПК, и предсказывался взрывообразный рост спроса. Свои модели представили десятки компаний. Компьютеры при всей внешней схожести отличались большим разнообразием и были несовместимы друг с другом. Каждый производитель разрабатывал собственную архитектуру ПК. Считалось, что наиболее перспективной архитектурой обладает компьютер PDP-11, разработанный компанией DEC. Технические рения этой компании легли в основу первых отечественных компьютеров серии «Электроника».

Однако, в конце 1980 года совет директоров IBM принял решение создать "машину, которая нужна людям". Стратегическим партнером в качестве поставщика процессоров была выбрана фирма Intel. Уже 12 августа 1981 года IBM представила свой первый ПК, который был спроектирован не хуже, чем изделия тогдашних лидеров рынка − фирм Commodore PET, Atari, Radio Shack и Apple.

В условиях довольно жѐсткой конкуренции с производителями компьютерной техники фирма IBM пошла на неожиданный шаг. Решив утвердить свою архитектуру в качестве стандарта, она открыла для доступа еѐ техническую документацию. Теперь каждый производитель ПК мог приобрести лицензию у фирмы IBM и собирать подобные компьютеры, а производители микропроцессоров – изготавливать элементы для них. В результате стандарты конкурентов фирмы IBM погибли.

Сохранить собственную архитектуру смогла только Apple: она нашла свою нишу в сферах графического дизайна и образования. Все остальные производители либо разорились, либо вынуждены были принять стандарт, предложенный фирмой IBM.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 25

IBM PC AT (Advanced Technologies), построенный на основе МП 80286, быстро завоевал весь мир и несколько лет оставался наиболее популярным.

Первые 32-разрядные микропроцессоры появились на мировом рынке в 1983-1984 гг., но их широкое использование в высокопроизводительных ПК началось с 1985 г. после выпуска фирмами Intel и Motorola микропроцессоров 80386 и М68020 соответственно. Эти БИС открыли новое микропроцессорное поколение, реализующее обработку данных на уровне "больших" ЭВМ.

В 1989 г. был начат выпуск более мощного МП 80486 с быстродействием более 50 млн. операций в секунду. В марте 1993 г. фирма Intel продолжает ряд 80х86 выпуском микропроцессора Р5 "Pentium" с 64-разрядной архитектурой. Потом были "Pentium 2", "Pentium 3". Сегодня самым популярным МП является "Pentium 4" с технологией НТ, позволяющей обрабатывать информацию по 2-м параллельным потокам, то есть получать как бы два процессора.

Тактовые частоты современных ПК превышают 3 ГГц, объѐмы ОЗУ – 16 и более ГБ. Емкость накопителей на жестких дисках выросла до 500 ГБ. Современные технологии позволяют на ПК прослушивать и записывать высокачественные ауди-файлы. Применение DVD приводов обеспечивает просмотр современных фильмов.

Широкое распространение получили сегодня переносные ПК – nootbook, карманные ПК (КПК) и мобильные ПК – смартфоны, объединяющие функции ПК и телефона.

Разумеется, любой компьютер нельзя представить без программного обеспечения. Как архитектура IBM PC стала стандартом для аппаратной части ПК, так и продукция фирмы MicroSoft (Билл Гейтс) стала эталоном для

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 26

программ. Особенно популярны ее операционные системы Windows и офисные приложения MS-Office (особенно Microsoft Office Word – MS Word) [1, 2].

Лабораторная работа, выполняемая при изучении раздела 1:

Операционная система Windows [2, 7].

Контрольные вопросы:

1.Чем характерна построенная в 1830-1846 гг аналитическая машина Чарльза Беббиджа?

2.Кто считается первой программисткой мира?

3.Как назывался первый программно-управляемый компьютер, созданный в 1943-44 годах в США?

4.В каком году появилась первая электронная машина ENIAK (Electro-nic Numerical Integrator and Computer)?

5.В каком году в СССР была создана первая ЭВМ? Как она называлась и под чьим руководством разрабатывалась?

6.Где впервые началась разработка ЭВМ 5-го поколения?

7.Какие операции с файловой структурой допускает ОС Windows XP?

8.Как узнать, есть ли среди объектов автозагрузки программа-антивирус?

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 27

2. ИНФОРМАЦИЯ И ЕЁ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ

2.1 Основные понятия

Информация – это сведения об объектах и явлениях окружающей среды, их параметрах, свойствах и состоянии, которые уменьшают имеющуюся о них степень неопределенности, неполноты знаний.

В широком смысле информация – это отражение реального (материального предметного) мира, выраженное в виде сигналов и знаков. Сигналы отражают физические характеристики различных процессов и объектов. В информатике вся информация (включая графическую) представляется конечной совокупностью знаков (символов), из которых образуется разнообразие информационных объектов (текстов, изображений). Действия, выполняемые с информацией (в том числе в ЭВМ), называются информационными процессами. Информационные процессы можно разложить на три составляющие: хранение, передачу и обработку информации.

Передачу и прием информации называют обменом информации. Но чаще вместо термина обмен информацией используют термин передача информации.

При обмене информации всегда имеются источник и приемник информации. Передаваемая от источника информация достигает приемника с помощью последовательности сигналов, которая называется сообщением. Сигналы могут быть звуковыми, электрическими, электромагнитными. Устройства (включая физическую среду), по которым передаются сигналы, называются каналами связи. Скорость передачи информации 1 бит/с называется 1 бод.

Обработка информации, то есть еѐ преобразование, всегда выполняется по определѐнным предписаниям (правилам), которые называются алгоритмами. Об алгоритмах речь пойдѐт в следующей главе. Передаваемую информацию обычно называют сообщением. Сообщение – это информация, представленная в некоторой форме (текст телеграммы, данные на выходе ЭВМ, речь, текст, изображение, цифровые данные, графики, таблицы и т.п.). Но 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.

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 28

В компьютерной обработке данных под сообщением 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 по-

следовательности символов увеличивает информационный объем сообщения. Наряду с информацией в информатике часто употребляется понятие дан-

ные. Покажем, в чем отличие понятий ―информация‖ и ―данные‖.

Данные – это информация, представленная в формализованном виде, что обеспечивает возможность ее хранения, передачу и переработку. Тогда, информация – это смысл, который дается данным при их представлении. Обра-

ботка данных (data processing) – это выполнение последовательности действий с данными. Данные хранятся на носителях данных. Совокупность носителей данных называют информационной средой. Каждый носитель данных имеет определѐнный объѐм – максимальный объѐм данных, которые могут на нѐм храниться. Объѐм данных – это количество двоичных единиц информации, представляемых этими данными.

Наименьшей единицей измерения объѐма данных считается байт (8 бит). Более крупные единицы: 1 Кбайт = 210 =1024 байта, 1 Мбайт = 1024 Кбайт = 220 байт, 1 Гбайт = 1024 Мбайт = 230 байт (гигабайт), 1 Тбайт = 1024 Гбайт = 240 байт (терабайт).

Скорость передачи данных в прошлые годы обычно измеряли в бит/с, то есть в бодах. Сейчас это измерение чаще производят в Мбит/с.

Пути и процессы, обеспечивающие передачу сообщений от источника информации к ее потребителю, называются информационными коммуникациями. Для потребителя информации очень важной характеристикой является ее адекватность, то есть соответствие (степень соответствия) принятой информации

иинформации переданной.

2.2.Структуры данных. Файловая структура

ВЭВМ работа с большими наборами данных автоматизируется проще, если данные упорядочены, то есть образуют определѐнную структуру.

Существует три основных типа структур данных: линейная, табличная и иерархическая. В каждая из них должны быть решены две задачи: как разделить элементы данных друг от друга и как разыскивать нужные элементы.

Линейные структуры представляют собой списки или одномерные массивы данных. Каждый новый элемент списка записывается с новой строки, то

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 29

есть разделителем (концом каждого элемента) является конец строки, к которой он записан. Каждая строка начинается с номера элемента этой строки. Таким образом, найти нужный элемент можно по его номеру. Фактически номера являются адресами элементов образом, найти нужный элемент можно по его номеру. Фактически номера являются адресами элементов.

Табличные структуры (таблицы данных, матрицы данных, двумерные массивы данных) содержат двухкоординатные данные. Координатами каждого элемента двумерной табличной структуры являются номер строки (первая координата) и номер столбца (вторая координата). Разделителями элементов в этих структурах являются границы клеток, в которых записываются элементы. Каждый элемент является упорядоченным, поскольку он однозначно связан с соответствующей клеткой таблицы. Например, элемент S52 принадлежит 5-й строке и 2-му столбцу.

Табличные структуры могут быть и многомерными. Например, трѐхмерную структуру можно рассматривать как массив элементов куба. В этом случае третья координата элемента Si j k указывает положение ячейки по вертикали.

При разработке программ обычно задают размерность массивов, чтобы программа выбрала необходимый объѐм памяти для размещения массивов. Так запись в программе S: array[1..5,1..5,1..4,1..3] of real означает 4-мерный массив значений вещественной величины S

с размерностями, указанными в скобках.

Иерархическая структура элементов – это такая упорядоченная по уровням структура, в которой к каждому еѐ элементу есть путь от начального (высшего) элемента. В

частности если ,к каждому элементу такой путь является единственным, то иерархическая структура называется деревом.

Примером иерархической структуры является файловая система (file system) в ЭВМ. Еѐ синоним – файловая структура.

Файл – это последовательность произвольного числа байтов, обладающая уникальным собственным именем. Обычно в одном файле хранятся данные, относящиеся к одному типу (в том числе программы, написанные с помощью соответствующего редактора). В этом случае тип данных определяет и тип

Кирьянов Б.Ф. Основы информатики. 30

файла. Файловая система – это порядок, определяющий способ организации, хранения и именования данных на носителях информации в компьютерах, а также в другом электронном оборудовании: в цифровых фотоаппаратах, мобильных телефонах и т. п. Файловая система определяет формат содержимого и физического хранения информации, которую принято группировать в виде файлов. Конкретная файловая система определяет размер имени файла (папки), максимальный возможный размер файла и раздела, набор атрибутов файла. Некоторые файловые системы предоставляют сервисные возможности, например, разграничение доступа или шифрование файлов.

Файловая система связывает носитель информации с одной стороны и API (Application Program Interface – интерфейс прикладных программ) для доступа к файлам – с другой. Когда прикладная программа обращается к файлу, она не имеет никакого представления о том, каким образом расположена информация в конкретном файле и на каком физическом типе носителя (ОЗУ, CD, жѐстком диске, блоке флэш-памяти или другом) он записан. Всѐ, что знает программа – это имя файла, его размер и атрибуты. Эти данные она получает от драйвера файловой системы, т.е. от программы, согласующей характеристики записываемой информации и запоминающего устройства. Именно файловая система устанавливает, где и как будет записан файл на физическом носителе.

Примеры файловых систем: FAT (File Allocation Table – таблица размещения файлов), NTFS (New Technology File System – файловая система новой технологии) и др. Так, диск, отформатированный в файловой системе FAT, делится на кластеры, размер которых зависит от размера тома. Одновременно с созданием файла в каталоге создается запись и устанавливается номер первого кластера, содержащего данные. Такая запись в таблице размещения файлов сигнализирует о том, что это последний кластер файла, или указывает на следующий кластер. Имена файлов в FAT должны состоять из символов ASCII. Имя файла или каталога должно состоять не более чем из 8 символов, затем следует разделитель «.» (точка) и расширение длиной до 3 символов. Каталог FAT не имеет определенной структуры, и файлы записываются в первом обнаруженном свободном месте на диске. Кроме того, файловая система FAT поддерживает только четыре файловых атрибута: «Системный», «Скрытый», «Только чтение» и «Архивный».

В качестве вершины любой файловой структуры служит имя носителя, на котором сохраняются файлы. Путь доступа к файлу начинается с имени этого носителя и включает все имена каталогов (папок − поименованных мест на