zaochnoe_informatika_2013 / информатика заочное 2012 / ДОПОЛНЕНИЕ К ЛЕКЦИИ1

Развитие кибернетики в СССР встретило идеологические препятствия. Как писал академик А.И. Берг, «... в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин». Достаточно сказать, что еще В философском словаре 1959 года издания кибернетика характеризовалась как «буржуазная лженаука». Причиной этому послужили, с одной стороны, недооценка новой бурно развивающейся науки отдельными учеными «классического» направления, с другой неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфантастических прогнозах о безграничных возможностях кибернетики, дискредитируя тем самым эту науку.

Дело к тому же осложнялось тем, что развитие отечественной кибернетики на протяжении многих лет сопровождалось серьезными трудностями в реализации крупных государственных проектов, например, создания автоматизированных систем управления (АСУ). Однако за это время удалось накопить значительный опыт сознания информационных систем и систем управления технико-экономическими объектами. Требовалось выделить из кибернетики

здоровое научное и техническое ядро и консолидировать силы для развития нового движения к давно уже стоящим глобальным целям.

Вскоре вслед за появлением кибернетики в мировой науке стало использоваться понятие «Computer Sciences» (наука о средствах вычислительной техники), а чуть позже, на рубеже шестидесятых и семидесятых годов, французские ученью ввели термин «Informatique». Он образован в результате объединения терминов Information (информация) и Automatique (автоматика), что выражает суть информатики как науки об автоматической обработке информации. В русском языке раннее употребление термина - информатика связано с узкоконкретной областью изучения структуры и общих свойств научной информации, передаваемой посредством научной литературы.

Как отмечал академик А.Г. Ершов, в современных условиях термин информатика «ВВОДИТСЯ В русский язык в новом и куда боже широком значении - как название фундаментальной естественной науки, изучающей процессы передачи и обработки информации.

Попытку определить, что такое информатика, сделал в 1978 г. Международный конгресс по информатике: «Понятие информатики охватывает области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материальнотехническим обслуживанием систем обработки информации, включая машины, оборудование, математическое обеспечение, организационные аспекты, а также

комплекс промышленного, коммерческого, административного и коммерческого воздействия».

В середине 80-ых годов информатику выделили как самостоятельную область деятельности. В 1983 г. термин «информатика» появился в СССР.

2

Информатика - комплексная научная и инженерная дисциплина, изучающая все аспекты разработки, проектирования, создания, оценки, функционирования, основанных на ЭВМ систем переработки информации, их

применение и воздействие на различные области социальной практики Кибернетика - наука об общих принципах управления в различные

системах (технических, биологических, социальных и др.).

Сегодня предметом кибернетика являются принципы построения и функционирования систем автоматического управления, а основными задачами - методы моделирования процесса принятия решений техническими средствами, связь между психологией человека и математической логикой, связь между информационным процессом отдельного индивидуума и информационными процессами в обществе, разработка принципов и методов искусственного интеллекта.

Информатика занимается изучением процессов преобразования и создания новой информации, практически не решая задачи управления различными объектами, как кибернетика.

В информатике акценты расставляются на свойствах информации и аппаратно-программных средствах ее обработки.

В кибернетике акценты расставляются на разработке концепции и построении моделей объектов с использованием информационного подхода.

На практике кибернетика во многих случаях опирается на те же программные и аппаратные средства вычислительной техники, что и информатика, а информатика, в свою очередь, заимствует у кибернетики математическую и логическую базу для развития этих средств.

Информатика – это область человеческой деятельности, связанная с процессами преобразования информации с помощью компьютера и их взаимодействием со средой применения.

2. Свойства информации. Единицы измерения информации

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

Свойства информации:

Объективность и субъективность. Понятие объективности информации является относительным. Более объективной считается та информация, в которую методы вносят меньший субъективный элемент (фотографии, рисунок). В ходе информационного процесса степень объективности всегда снижается.

Полнота информации. Означает, что она содержит минимальный но достаточный для принятии правильного решения состав. Понятие полноты информации связано с ее смысловым содержанием. Как неполная информация, т.е. недостаточная для принятия правильного решения, так и избыточная информация снижает эффективность принимаемых пользователем решений.

3

Достоверность информации определяется ее свойством отражать реально существующие объекты с необходимой точностью.

Адекватность информации – это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных.

Доступность информации – мера возможности получать ту или иную информацию. На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Отсутствие доступа к данным или отсутствие адекватных методов обработки данных приводит к тому, что информация становится недоступной. Отсутствие адекватных методов для работы с данными приводит к применению неадекватных методов, в результате чего образуется неполная, неадекватная или недостоверная информация.

Актуальность информации – это степень соответствия информации текущему моменту времени.

Своевременность информации означает ее поступление не позже заранее назначенного момента времени, согласованного со временем решения поставленной задачи.

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

Информация передаѐтся с помощью языков. Основа любого языка – алфавит, т.е. конечный набор знаков (символов) любой природы, из которых конструируются сообщения на данном языке. Алфавит может быть латинский, русский, десятичных чисел, двоичный и т.д.

Кодирование это представление символов одного алфавита символами другого. Простейшим алфавитом, достаточным для кодирования любого другого, является двоичный алфавит, состоящий всего из двух символов 0 и 1.

Система счисления – это способ представления любого числа с помощью алфавита символов, называемых цифрами. Системы счисления делятся на позиционные и непозиционные.

Впозиционных системах любое число записывается в виде последовательности цифр, количественное значение которых зависит от места (позиции), занимаемой каждой из них в числе. Примеры: десятичная, восьмеричная, двоичная система и т.д.

Вней любое число представляется в виде последовательности цифр, количественное значение которых зависит от места (позиции), которое занимает каждая из них в числе.

Алфавит десятичной системы состоит из десяти символов: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, называемых арабским цифрами.

По правилам этой системы счисления символы располагаются, начиная с нулевой позиции и далее по возрастающей слева направо. Символ 1 в нулевой позиции – это единица, а в первой позиции – это уже 10 единиц.

4

Официальное «рождение» двоичной системы счисления (в еѐ алфавите два символа: 0 и 1) связывают с именем Готфрида Вильгельма Лейбница. В 1703 г. он опубликовал статью, в которой были рассмотрены все правила выполнения арифметических действий над двоичными числами.

Схема перевода из двоичной системы в десятичную:

(100011)2 = 1*25 + 0*24 + 0*23 + 0*22 + 1*21 + 1*20 = (35)10

Пример непозиционной системы счисления – римская система. В ней вводится ряд символов для представления основных чисел, а остальные числа – результат их сложения и вычитания.

Основные символы для обозначения десятичных разрядов в римской системе счисления: I – один, X – десять, C – сто, M – тысяча и их половины V – пять, L – пятьдесят, D – пятьсот. Натуральные числа записываются при помощи повторения этих цифр (например, II – два, III – три, XXX – тридцать, CC – двести). Если же большая цифра стоит перед меньшей цифрой, то они складываются, если наоборот – вычитаются (например, VII – семь, IX – девять).

Информация в вычислительной машине представляется в двоичном коде (0 и 1), (да, нет), (вкл., выкл.).

0 и 1 – это 1 бит информации или 1 двоичный разряд.

1 байт – это 8 бит (8 двоичных разрядов). В компьютере 1 байт является наименьшей единицей информации, что соответствует одному знаку в командной строке (цифре, букве, специальному символу или пробелу).

1 байт = 8 бит; 1 Кбит = 1024 бит = 210 бит =~ 1000 бит (1 килобит);

1 Мбит = 1048576 бит = 220 бит =~ 1 000 000 бит (1 мегабит); 1 Гбит = 230 бит =~ 109 бит = 1 000 000 000 (1 гигабит).

Для примера можно указать, что в среднем 1 страница учебника =~ 3Кб. Газета из 4-х страниц =~ 150 Кб.

Большая Советская Энциклопедия =~ 120 Мб.

Цветной телефильм продолжительностью 1.5 часа (25 кадр/с) =~ 135 Гб.

Наряду с информацией в информатике часто употребляют понятие данные.

Операции выполняемые над данными

Сбор данных – накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решения;

Формализация данных – приведение данных, поступающих из разных источников, к одинаковой форме, чтобы сделать их сопоставимыми между собой, то есть повысить их уровень доступности,

Фильтрация данных – отсеивание «лишних» данных, в которых нет необходимости, для принятия решения, при этом должен уменьшаться уровень «шума», а достоверность и адекватность данных должны возрастать.

Сортировка данных – упорядочение данных по заданному признаку с целю удобства использования; повышает доступность информации;

Архивация данных – организация хранения данных в удобной и легкодоступной форме; служит для снижения экономических затрат по

5

хранению данных и повышает общую надежность информационного процесса в целом;

Защита данных – комплекс мер, направленных на предотвращение утраты воспроизведения и модификации данных;

Транспортировка данных – приѐм и передача (доставка и поставка) данных между удаленными участниками информационного процесса; при этом источник данных В информатике принято называть серверам, а потребителя –

клиентом.

Преобразование данных – перевод данных из одной формы в другую или из одной структуры в другую. Преобразование данных часто связано с изменением типа носителя.

3. Составные части ядра современной информатики

Каждая из этих частей может рассматриваться как относительно самостоятельная научная дисциплина, но несмотря на это все части одной науки.

Теоретическая информатика - часть информатики, включающая ряд математических разделов. Она опирается на математическую логику, но включает такие разделы, как теория алгоритмов и автоматов, теория информации и теория копирования, теория формальных языков и грамматик, теория информации, исследование операций и другие. Теоретическая информатика старается методами точного анализа ответить на основные вопросы, возникающие при работе с информацией, например вопрос о количестве информации, сосредоточенной в той или иной информационной системе, наиболее рациональной организации таких систем для хранения и поиска информации, а также о существовании и свойствах алгоритмов преобразования информации.

Вычислительная техника - раздел в котором разрабатываются общие принципы построения вычислительных систем. Речь идет о принципиальных решениях на уровне так называемой архитектуры вычислительных (компьютерных) систем, определяющей состав, назначение, функциональные возможности и принципы взаимодействия устройств. Примеры принципиальных, ставших классическими решений в этой области - неймановская архитектура компьютеров первых поколений, шинная архитектура ЭВМ старших поколений, архитектура параллельной (многопроцессорной) обработки информации.

Программирование – деятельность, связанная с разработкой систем программного обеспечения. Основные разделы современного программирования создание системного программного обеспечения и создание прикладного программного обеспечения. Среди системного – разработка новых языков программирования и компиляторов к ним, разработка интерфейсных систем (пример - общеизвестная операционная оболочка и система Windows). Среди прикладного программного обеспечения общего назначения самые популярные - системы обработки текстов, электронные таблицы, системы управления базами данных. В каждой области предметных

6

приложений информатики существует множество специализированных прикладных программ боже узкого назначения

Информационные системы – раздел информатики, связанный с решением вопросов по анализу потоков информации в различных сложных системах, их оптимизации, структурировании, принципах хранения я поиска информации (информационно-справочные системы, информационно-поисковые системы, гигантские современные глобальные системы хранения и поиска информации (включая широко известный Internet)). Известным примером решения проблемы на глобальном уровне может служить гипертекстовая поисковая система WWW, а на значительно более низком уровне - справочная система, к услугам которой мы прибегаем, набрав телефонный номер 109.

Искусственный интеллект – область информатики, в которой решаются сложнейшие проблемы, находящиеся на пересечении с психологией, физиологией, лингвистикой и другими науками. Основные направления разработок, относящихся к этой области – моделирование рассуждений,

компьютерная лингвистика, машинный перевод, создание экспертных систем, распознавание образов и другие. От успехов работ в области искусственного интеллекта зависит решение такой прикладной проблемы, как создание интеллектуальных интерфейсных систем взаимодействия человека с компьютером, благодаря которым это взаимодействие будет походить на межчеловеческое и станет более эффективным.

4. История развития вычислительной техники

История создания средств цифровой вычислительной техники уходит в глубь веков. Она увлекательна и поучительна, с нею связаны имена выдающихся ученых мира.

Вдневниках гениального итальянца Леонардо да Винчи (1452 - 1519), уже

внаше время был обнаружен ряд рисунков, которые оказались эскизным наброском суммирующей вычислительной машины на зубчатых колесах, способной складывать 13-разрядные десятичные числа. Специалисты известной американской фирмы IBM воспроизвели машину в металле и убедились в полной состоятельности идеи ученого. Его суммирующую машину можно считать изначальной вехой в истории цифровой вычислительной техники. Это был первый цифровой сумматор, своеобразный зародыш будущего электронного сумматора - важнейшего элемента современных ЭВМ, пока еще механический, очень примитивный (с ручным управлением). В те далекие от нас годы гениальный ученый был, вероятно, единственным на Земле человеком, который понял необходимость создания устройств для облегчения труда при выполнении вычислений.

Однако потребность в этом была настолько малой (а точнее, ее не было совсем!), что лишь через сто с лишним лет после смерти Леонардо да Винчи нашелся другой европеец - немецкий ученый Вильгельм Шиккард (1592-1636), не читавший, естественно, дневников великого итальянца, который предложил свое решение этой задачи. Причиной, побудившей Шиккарда разработать счетную машину для суммирования и умножения шестиразрядных десятичных

7

чисел, было его знакомство с польским астрономом И. Кеплером. Ознакомившись с работой великого астронома, связанной, в основном, с вычислениями, Шиккард загорелся идеей оказать ему помощь в нелегком труде. В письме, на его имя, отправленном в 1623 г., он приводит рисунок машины и рассказывает, как она устроена. К сожалению, данных о дальнейшей судьбе машины история не сохранила. По-видимому, ранняя смерть от чумы, охватившей Европу, помешала ученому выполнить его замысел.

Об изобретениях Леонардо да Винчи и Вильгельма Шиккарда стало известно лишь в наше время. Современникам они были неизвестны.

ВXYII веке положение меняется. В 1641 - 1642 гг. девятнадцатилетний Блез Паскаль (1623 - 1662), тогда еще мало кому известный французский ученый, создает действующую суммирующую машину ("паскалину"). В начале он сооружал ее с одной единственной целью - помочь отцу в расчетах, выполняемых при сборе налогов. В последующие четыре года им были созданы более совершенные образцы машины. Они были шести и восьми разрядными, строились на основе зубчатых колес, могли производить суммирование и вычитание десятичных чисел. Было создано примерно 50 образцов машин, Б. Паскаль получил королевскую привилегию на их производство, но практического применения "паскалины" не получили, хотя о них много говорилось и писалось (в основном, во Франции).

В1673 г. другой великий европеец, немецкий ученый Вильгельм Готфрид Лейбниц (1646 - 1716), создает счетную машину (арифметический прибор, по словам Лейбница) для сложения и умножения двенадцатиразрядных десятичных чисел. К зубчатым колесам он добавил ступенчатый валик, позволяющий осуществлять умножение и деление. О машине Лейбница было известно в большинстве стран Европы.

Вцифровых электронных вычислительных машинах (ЭВМ), появившихся более двух веков спустя, устройство, выполняющее арифметические операции (те же самые, что и "арифметический прибор" Лейбница), получило название арифметического. Позднее, по мере добавления ряда логических действий, его стали называть арифметико-логическим. Оно стало основным устройством современных компьютеров.

Таким образом, два гения XVII века, установили первые вехи в истории развития цифровой вычислительной техники.

Заслуги В. Лейбница, однако, не ограничиваются созданием "арифметического прибора". Начиная со студенческих лет и до конца жизни он занимался исследованием свойств двоичной системы счисления, ставшей в дальнейшем, основной при создании компьютеров. Он придавал ей некий мистический смысл и считал, что на ее базе можно создать универсальный язык для объяснения явлений мира и использования во всех науках, в том числе в философии. Сохранилось изображение медали, нарисованное В. Лейбницем в 1697 г., поясняющее соотношение между двоичной и десятичной системами исчисления.

8

В1799 г. во Франции Жозеф Мари Жакар ( 1752 - 1834) изобрел ткацкий станок, в котором для задания узора на ткани использовались перфокарты. Необходимые для этого исходные данные записывались в виде пробивок в соответствующих местах перфокарты. Так появилось первое примитивное устройство для запоминания и ввода программной (управляющей ткацким процессом в данном случае) информации.

В1795 г. там же математик Гаспар Прони (1755 - 1839), которому французское правительство поручило выполнение работ, связанных с переходом на метрическую систему мер, впервые в мире разработал технологическую схему вычислений, предполагающую разделение труда математиков на три составляющие. Первая группа из нескольких высококвалифицированных математиков определяла (или разрабатывала) методы численных вычислений, необходимые для решения задачи, позволяющие свести вычисления к арифметическим операциям - сложить, вычесть, умножить, разделить. Задание последовательности арифметических действий и определение исходных данных, необходимых при их выполнении ("программирование") осуществляла вторая, несколько более расширенная по составу, группа математиков. Для выполнения составленной "программы", состоящей из последовательности арифметических действий, не было необходимости привлекать специалистов высокой квалификации. Эта, наиболее трудоемкая часть работы, поручалась третьей и самой многочисленной группе вычислителей. Такое разделение труда позволило существенно ускорить получение результатов и повысить их надежность. Но главное состояло в том, что этим был дан импульс дальнейшему процессу автоматизации, самой трудоемкой (но и самой простой!) третьей части вычислений - переходу к созданию цифровых вычислительных устройств с программным управлением последовательностью арифметических операций.

Этот завершающий шаг в эволюции цифровых вычислительных устройств (механического типа) сделал английский ученый Чарльз Беббидж (1791 - 1871). Блестящий математик, великолепно владеющий численными методами вычислений, уже имеющий опыт в создании технических средств для облегчения вычислительного процесса (разностная машина Беббиджа для табулирования полиномов, 1812 - 1822гг.), он сразу увидел в технологии вычислений, предложенной Г. Прони, возможность дальнейшего развития своих работ. Аналитическая машина (так назвал ее Беббидж), проект которой он разработал в 1836 - 1848 годах, явилась механическим прототипом появившихся спустя столетие ЭВМ. В ней предполагалось иметь те же, что и в ЭВМ пять основных устройств: арифметическое, памяти, управления, ввода, вывода.

Для арифметического устройства Ч. Беббидж использовал зубчатые колеса, подобные тем, что использовались ранее. На них же Ч. Беббидж намеревался построить устройство памяти из 1000 пятидесятиразрядных регистров (по 50 колес в каждом!). Программа выполнения вычислений записывалась на перфокартах (пробивками), на них же записывались исходные данные и результаты вычислений. В число операций, помимо четырех

9

арифметических, была включена операция условного перехода и операции с кодами команд. Автоматическое выполнение программы вычислений обеспечивалось устройством управления. Время сложения двух пятидесятиразрядных десятичных чисел составляло, по расчетам ученого, 1 сек, умножения - 1 мин.

Механический принцип построения устройств, использование десятичной системы счисления, затрудняющей создание простой элементной базы, не позволили Ч. Беббиджу полностью реализовать свой далеко идущий замысел, пришлось ограничиться скромными макетами. Иначе, по размерам машина сравнялась бы с локомотивом, и чтобы привести в движение ее устройства понадобился бы паровой двигатель.

Программы вычислений на машине Беббиджа, составленные дочерью Байрона Адой Августой Лавлейс (1815 - 1852), поразительно схожи с программами, составленными, впоследствии, для первых ЭВМ. Не случайно замечательную женщину назвали первым программистом мира.

Несмотря на все старания Ч. Беббиджа и А. Лавлейс машину построить не удалось... После смерти Ч. Беббиджа Комитет Британской научной ассоциации, куда входили крупные ученые, рассмотрел вопрос, что делать с неоконченной аналитической машиной и для чего она может быть рекомендована.

Непонятым оказался еще один выдающийся англичанин, живший в те же годы, - Джордж Буль (1815 - 1864). Разработанная им алгебра логики (алгебра Буля) нашла применение лишь в следующем веке, когда понадобился математический аппарат для проектирования схем ЭВМ, использующих двоичную систему счисления. "Соединил" математическую логику с двоичной системой счисления и электрическими цепями американский ученый Клод Шенон в своей знаменитой диссертации (1936г.).

Через 63 года после смерти Ч. Беббиджа (он почти угадал срок!) нашелся "некто" взявший на себя задачу создать машину, подобную - по принципу действия, той, которой отдал жизнь Ч. Беббидж. Им оказался ... немецкий студент Конрад Цузе (1910 - 1985). Работу по созданию машины он начал в 1934г., за год до получения инженерного диплома. Конрад ничего не знал ни о машине Беббиджа, ни о работах Лейбница, ни о алгебре Буля, которая словно создана для того, чтобы проектировать схемы с использованием элементов, имеющих лишь два устойчивых состояния.

Тем не менее, он оказался достойным наследником В. Лейбница и Дж. Буля поскольку вернул к жизни уже забытую двоичную систему исчисления, а при расчете схем использовал нечто подобное булевой алгебре. В 1937 г. машина Z1 (что означало Цузе 1) была готова и заработала!

Она была подобно машине Беббиджа чисто механической. Использование двоичной системы сотворило чудо - машина занимала всего два квадратных метра на столе в квартире изобретателя! Длина слов составляла 22 двоичных разряда. Выполнение операций производилось с использованием плавающей запятой. Для мантиссы и ее знака отводилось 15 разрядов, для порядка - 7. Память (тоже на механических элементах) содержала 64 слова (против 1000 у

10