- •Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тульский государственный университет»
- •Конспект лекций
- •Информатика
- •Содержание
- •Системы счисления. Позиционные и непозиционные системы
- •2.1. Кодирование текста
- •2.2. Растровая и векторная графика
- •2.3. Представление цвета
- •2.4. Представление звука. Ацп. Цап
- •3.1. Принцип фон Неймана
- •3.2. Общая структурная схема процессора
- •3.3. Арифметико-логическое устройство (алу)
- •3.4. Адрес ячейки памяти
- •3.5. Регистры процессора
- •3.6. Как процессор складывает два числа
- •4.1. Эволюция средств вычислений
- •4.2. Эволюция эвм
- •4.3. Поколения эвм
- •5.1. Эволюция персональных эвм
- •5.2. Классификация эвм
- •6.1. Программное обеспечение
- •6.2. Функции ос
- •6.3. Трансляция программ
- •6.5. Декомпозиция
- •6.6. Объектно-ориентированное программирование
- •7.1. Понятие алгоритма. Свойства алгоритма
- •7.2. Способы записи алгоритма: псевдокод, блок-схема
- •7.3. Преобразование программы в машинные коды. Интерпретаторы и компиляторы
- •7.4. Оптимизация кода для повышения эффективности
- •7.5. Структура ide. Отладка программ
- •8.1. Описание структуры проекта
- •8.2. Описание структуры модуля
- •8.3. Описание элементов программ
- •8.4. Алфавит языка программирования
- •8.5. Идентификаторы, константы, выражения
- •9.1. Целая и вещественная арифметика
- •9.2. Приоритет операций
- •9.3. Встроенные функции. Построение сложных выражений
- •10.1. Встроенные типы данных. Целые типы. Представление знака числа. Арифметическое переполнение
- •10.1.1. Встроенные типы данных
- •10.1.2. Целые типы
- •10.1.3. Представление знака числа
- •10.1.4. Арифметическое переполнение
- •10.2. Вещественные типы. Сопроцессор
- •10.3. Текстовые типы
- •10.4. Логический тип
- •10.5. Оператор присваивания. Совместимость типов по присваиванию
- •11.1. Устройства вывода
- •11.2. Объекты, обеспечивающие вывод данных на экран
- •11.2.1. Перечень компонентов ввода и отображения текстовой информации
- •11.2.2. Отображение текста в надписях компонентов Label, StaticText и Panel
- •11.2.3. Окна редактирования Edit и MaskEdit
- •11.2.4. Многострочные окна редактирования Memo и RichEdit
- •11.2.5. Группа радиокнопок – компонент RadioGroup
- •Ввод и отображение целых чисел — компоненты UpDown и SpinEdit
- •11.2.6. Компоненты выбора из списков — ListBox, CheckBox, CheckListBox и ComboBox
- •11.2.7. Таблица строк — компонент StringGrid
- •11.2.8. Функция InputBox
- •11.2.9. Процедура ShowMessage
- •11.3. Вывод в текстовый файл
- •11.3.1. Объявление файла
- •Назначение файла
- •11.3.2. Вывод в файл
- •11.3.3. Открытие файла для вывода
- •11.3.4. Ошибки открытия файла
- •11.3.5. Закрытие файла
- •11.4. Устройства ввода. Ввод с клавиатуры. Реакция на действия пользователя
- •11.4.1. Устройства ввода
- •11.5. Ввод из файла
- •11.5.1. Открытие файла
- •11.5.2. Чтение данных из файла
- •11.5.3. Чтение чисел
- •11.5.4. Чтение строк
- •12.1. Ветвление
- •12.2. Логические (булевские) операции
- •12.3. Составной оператор
- •12.4. Оператор ветвления if
- •12.5. Оператор ветвления case
- •12.6. Исключительные ситуации
- •13.1. Функции цикла в программе. Циклы с пред- и постусловием
- •13.2. Оператор While. Вечные циклы
- •13.3. Вечные циклы
- •13.4. Оператор repeat. Процедуры inc и dec
- •13.5. Цикл с переменной for
- •13.6. Команды break и continue
- •13.7. Вложенные циклы
- •13.8. Примеры задач с циклами
- •14.1. Объявление массива
- •14.2. Операции с массивами
- •14.2.1. Вывод массива
- •14.2.2. Ввод массива
- •14.2.3. Поиск минимального (максимального) элемента массива
- •14.2.4. Поиск в массиве заданного элемента
- •14.3. Ошибки при использовании массивов
- •15.1. Создание пользовательских функций. Передача аргументов
- •15.2. Глобальные и локальные переменные
- •15.3. Примеры написания пользовательских функций
- •15.4. Процедуры
- •15.5. Процедуры программиста
- •15.6. Передача параметров по ссылке и значению
- •15.7. Перегрузка процедур и функций
- •15.8. Упреждающее объявление процедур и функций (forward)
- •16.1. Основные понятия компьютерной графики
- •16.2. Получение сведений о режимах экрана. Эффекты прозрачности
- •16.3. Графические построения
- •16.4. Построение графиков функций
- •16.5. Использование компонента tChart
- •16.6. Обновление изображения
- •17.1. Анимация на основе операции xor
- •17.2. Буферизация фона
- •17.3. Работа с таймером
- •18.1. Виды диалога
- •18.2. Стандарты пользовательского интерфейса
- •18.2.3. Размеры окон
- •18.2.2. Размеры элементов управления
- •Надписи на элементах управления:
- •18.2.4. Схема расположения
- •19.1. Технология mmx
- •19.2. Мультимедийные аппаратные интерфейсы
- •20.1. Тест Тьюринга
- •20.2. Представление знаний и вывод на знаниях
- •20.3. Модели представления знаний
- •20.4. Вывод на знаниях
- •21.1. Основы телекоммуникаций и распределенной обработки информации
- •21.2. Каналы связи
- •21.2.1. Аналоговые и цифровые каналы
- •21.2.2. Коммутируемые и выделенные каналы
- •21.2.3. Двух- и четырехпроводные каналы
- •21.3. Семиуровневая модель osi
- •21.3.1. Физический уровень
- •21.3.2. Канальный уровень
- •21.3.3. Верхние уровни osi
- •21.4. Управление потоком
- •21.5. Технология "клиент-сервер"
- •22.1. Методы защиты информации
- •22.2. Основы криптографии
- •22.3. Симметричные криптосистемы
- •22.3.1.Моно- и многоалфавитные подстановки
- •22.3.2. Перестановки
- •22.3.3. Гамирование и блочные шифры
- •22.4. Алгоритмы цифровой подписи
- •22.5. Сжатие данных
- •22.5.1. Методы сжатия изображений
- •22.6. Понятие об экономических и правовых аспектах информационных технологий
4.2. Эволюция эвм
С начала XX века начинается интенсивное развитие электротехники, радиотехники, электроники. Большой материал, накопленный в ходе развития этих отраслей науки, позволил подойти к созданию вычислительных машин немеханического типа. Значительную роль при этом сыграли теория абстрактных автоматов, разработанная в 1936 году английским математиком Аланом Тьюрингом (1912–1954) и американским математиком Эмилем Постом (1897–1954), и теория переключательных схем, разработанная американским математиком Клодом Шенноном (р. 1916) в 1938 году на основе алгебры логики, созданной еще в середине XIX века английским математиком Джорджем Булем (1815–1864).
Первая чисто релейная универсальная вычислительная машина была создана в 1941 году немецким инженером Конрадом Цузе. Его машина Z-3 содержала 2600 электромагнитных реле, на которых было построено арифметическое устройство и память на 64 двоичных числа. Машина выполняла восемь команд, в том числе четыре арифметических действия и извлечение квадратного корня. Программа для работы машины задавалась с помощью перфорированной ленты, сделанной из кинопленки.
В 1944 году в США была построена электромеханическая вычислительная машина "Mark-1". Ее проект был предложен физиком и математиком Говардом Айкеном (1898–1970) еще в 1937 году независимо от Цузе. Машина приводилась электромотором мощностью 5 л.с., программа для нее задавалась на 24-дорожечной перфоленте. Машина "Mark-1" была передана Гарвардскому университету и с успехом эксплуатировалась в течение ряда лет. "Mark-1" выполнял сложение за 0,3 с, умножение – за 5,7 с, деление – за 15,3 с. Вторая машина Айкена "Mark-2", изготовленная в 1947 году, была уже чисто релейной машиной (около 13000 телефонных реле) и имела в своем составе все функциональные блоки, предусмотренные классической структурой Беббиджа.
Одной из наиболее совершенных релейных вычислительных машина была машина РВМ-1, созданная в СССР в 1956 году под руководством инженера Н. И. Бессонова (1906–1963). Машина содержала 5500 реле, скорость ее работы составляла 50 сложений или 20 умножений в секунду. РВМ-1 использовалась для решения экономических задач и эксплуатировалась до 1965 года.
Релейные вычислительные машины были выдающимися достижениями своего времени, и при их создании пришлось решить массу сложных технических задач. Однако и этим машинам не суждено было совершить революцию в вычислительной технике, так как их надежность и быстродействие были невелики.
Одна из первых попыток использовать электронные элементы в вычислительной машине была предпринята в США в 1938–1942 годах американским физиком профессором университета штата Айова Д. Атанасовым. Совместно с К. Берри он сконструировал специализированную машину ABC для решения систем алгебраических уравнений. Однако эта машина осталась нереализованной.
В августе 1942 года сотрудник Электротехнической школы Мура при Пенсильванском университете Джон Моучли предложил проект электронной вычислительной машины. Начиная с середины 1943 года под руководством Моучли и Преспера Эккерта по контракту с армией США школа Мура начала работу над электронным цифровым интегратором и вычислителем ENIAC. Машина была закончена через два месяца после капитуляции Японии в 1945 году. Это было огромное сооружение, состоящее из 40 панелей, содержащих 18000 электронных ламп и 1500 реле. Машина потребляла более 150 кВт электроэнергии. На операцию сложения машина тратила 0,0002 с, на умножение – 0,0028 с. Первая ЭВМ использовалась для баллистических расчетов, предсказаний погоды и некоторых научно-технических вычислений. После этого в конце 40-х – начале 50-х годов первые ЭВМ практически одновременно появились в Великобритании, СССР и Франции.
В СССР первая ЭВМ, получившая название МЭСМ – малая электронная счетная машина, была запущена 25 декабря 1951 года в Институте электротехники АН УССР (г. Киев) под руководством академика С.А. Лебедева (1902–1974). МЭСМ имела производительность около 50 операций в секунду, содержала более 6000 электронных ламп, занимала площадь 50 м2, потребляла 25 кВт электроэнергии. В 1952 году вступила в строй машина БЭСМ-1 (большая электронная счетная машина), созданная в Институте точной механики и вычислительной техники АН СССР под руководством С.А. Лебедева и основанная на структуре МЭСМ. ЭВМ БЭСМ-1 имела самую высокую по тем временам производительность – 8000 операций в секунду. Серийное производство ЭВМ в СССР началось в 1953 году.
Значительный шаг в развитии вычислительной техники сделал американский физик Джон фон Нейман (1903–1957). В 1946 году вместе с Г. Голдстайном и А. Берксом он опубликовал важную для дальнейшего развития компьютеров статью "Предварительное рассмотрение логической конструкции электронного вычислительного устройства". В ней были высказаны две основные идеи, которые используются сейчас во всех ЭВМ: применение двоичной системы счисления, принцип хранимой программы, автоматизм работы. Статья также содержала ряд важных рекомендаций по конструированию вычислительных машин и методике программирования.
Уже в 1949 году идеи Неймана нашли практическое воплощение, когда в Кембриджском университете под руководством профессора Мориса Уилкса была построена машина EDSAC, которая стала первой ЭВМ с хранимой программой и промежуточной внутренней памятью. Скорость выполнения сложения составила 0,07 мс, умножения – 8,5 мс. Ввод данных производился с перфоленты, вывод – с помощью пишущей машинки. Годом позже было завершено создание аналогичной ЭВМ EDVAC в США.
Другой выдающейся научной работой, оказавшей существенное воздействие на прогресс вычислительной техники, была появившаяся в 1948 году книга "Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине" американского математика Норберта Винера (1894–1964), в которой были заложены основы кибернетики – науки, содержанием которой являются общие законы получения, хранения, передачи и переработки информации.