БИ ОСНОВЫ ИНФОРМАТИКИ. БИ_курс лекций. Р. С. Гиляревский основы информатики курс лекций
 Скачать 1.65 Mb.
|
|
Новые поколения компьютеров В пятом поколении ЭВМ предполагалось применить многопро- цессорную машину параллельной архитектуры. Принцип работы одно- го из вариантов суперкомпьютера такой архитектуры – системы потока данных – иллюстрируется на схеме, составленной директором лабора- тории вычислительной техники Массачусетского технологического института М.Л.Дертузосом (рис.12 ). 191 Рис. 11. Модель Дж.фон Неймана: однопроцессорный компьютер. Рис. 12. Многопроцессорный компьютер параллельной архитектуры. 192 Особенностью этой системы является наличие нескольких ком- бинаций процессора и оперативной памяти, каналов "потока данных" и коммутационной сети между ними. Появляющиеся возможности тех- нической реализации такой системы обеспечивает одновременность выполнения операций и ускорение процесса вычисления. Для нагляд- ности схема воспроизводит тот же простой пример сложения четырех чисел, каждое из которых как бы помещено в тележку, движущуюся по рельсам. В системе потока данных на схеме каждая из четырех комбина- ций процессора и памяти присваивает числу (внутри тележки) направ- ление (на флажке сбоку). Тележки движутся по коммутационной сети как на железнодорожных стрелках. Сеть начинает операции, направляя 3 и 15 в А, а 4 и 21 в Б, где они и помещаются в соответствующие опе- ративные памяти. (Таким образом, комбинации памяти и процессора В и Г в вычислениях участвовать не будут}. За первый такт программы в памяти А и Б предписывают соответствующим процессорам сложить числа и получить результаты, 18 и 25. Эти числа направляются комму- тационной сетью в А. (Память, процессор иканал потока данных Б больше не потребуются). За второй такт, попав снова в процессор А, числа 18 и 25 складываются, образуя ответ 43. Таким образом, имея 4 процессора, можно одновременно сло- жить 8 чисел за 3 такта или, другими словами, скорость вычислений в такой системе теоретически возрастает как экспонента к числу процес- соров. ЭВМ Крэй-2 (США) имел четыре процессора, Крэй-3 – шестна- дцать, а в Манчестерском университете проектировалась вычислитель- ная машина с 256 процессорами. При этом, разумеется, изменение типа архитектуры было не единственным способом совершенствования компьютеров на пути к пятому поколению, а описанная модель их но- вой архитектуры являлся лишь одним из возможных вариантов. Впервые идею о построении многопроцессорной ЭВМ высказа- ли советские ученые в середине 70-х годов. Академик В. М. Глушков в одной из последних своих бесед, будучи уже тяжело больным, предло- жил принцип вычислений на ЭВМ, который он назвал "макроконвей- ерным". Он уподобил работу обычного однопроцессорного компьюте- ра заводскому конвейеру. Макроконвейер может быть организован так, что несколько заводов кооперируются, изготавливая на своих конвейе- рах разные детали, которые затем собираются в готовое изделие. Точ- но так же, по его мнению, можно решать сложную вычислительную задачу параллельно на нескольких процессорах, если один из них 193 обеспечивает управление остальными. Эта идея сейчас успешно реали- зуется. Характеризуя пятое поколение компьютеров, обычно говорят об их быстродействии в сотни миллиардов операций в секунду и объеме памяти в миллиарды байт, о том, что они воспринимают и выдают ин- формацию в форме устной речи, распознают и отождествляют трех- мерные цветные изображения, моделируют рассуждения специалистов в узких предметных областях. Какое же конкретное применение нахо- дят эти машины в жизни? Большинство зарубежных специалистов считает, что самыми распространенными сферами использования компьютеров нового по- коления являются промышленное производство и делопроизводство, наука и техника, конструирование и программирование вычислитель- ных машин, авиация и космонавтика, военное дело, сфера торговли и услуг, образование, здравоохранение, искусство и культура. Значи- тельная часть необходимых технических и программных средств уже создана и работает в промышленном режиме. Для массового их про- изводства и внедрения требуются экономичные технологии и серьез- ные мероприятия по подготовке пользователей. В промышленности компьютеры нового поколения позволяют создать полностью автоматизированные производства, управление ко- торыми централизовано и осуществляется на уровне заданий по ассор- тименту, количеству и качеству изделий. В делопроизводстве интегри- руется хранение, поиск и распространение служебной документации с организационным управлением и средствами коммуникации. Получа- ют распространение телеконференции. В науке, технике, медицине, авиации, торговле и сфере услуг повышается эффективность справочно-информационных систем, кото- рые позволяют абонентам на рабочем месте перерабатывать в нужном аспекте полученную информацию. Экспертные и особенно диагности- ческие системы достигают в этих сферах высокой степени интеллек- туализации и занимают важное место в структуре трудовой деятельно- сти ученых, инженеров, врачей и специалистов многих других отрас- лей народного хозяйства. Образование и игры составляют особую сферу применения ком- пьютеров, особенно персональных, на которую в настоящее время па- дает значительная доля их сбыта. Важную роль здесь играет совмеще- ние цветного и объемного изображения со звуком и возможностью манипулировать текстом. Учебный процесс становится активным и 194 динамичным. Каждый может преобразовать учебник под свои нужды. Сведения сообщаются не только в виде текста, но могут иллюстриро- ваться изображениями процессов и сопровождающих их звуков. Обу- чение сочетается с творчеством, отдых с просвещением. Вы можете, не выходя из дома, совершать путешествия, посещать музеи, обучаться вождению автомобиля, самолета, космического корабля и т. п. Персональный компьютер и персональные вычисления Одна из статей о персональных компьютерах в научно-попу- лярном журнале начиналась со следующей аналогии. Если бы за по- следние четверть века самолетостроение развивалось в том же темпе, что и производство вычислительных машин, то пассажирский лайнер был бы в цене телевизора, и на нем можно было бы облететь земной шар за полчаса с одной канистрой горючего Эта аналогия, хотя и не- точная, как всякая другая, хорошо подчеркивает фантастичность воз- можностей, открываемых ныне вычислительной техникой для личных надобностей каждого человека в переработке информации. Появление персонального компьютера уже обросло типичной американской легендой. В ней рассказывается о том, как в начале 70-х годов два молодых калифорнийца, инженер Стивен Джобс и програм- мист Стефен Возняк, запершись в своем гараже, сконструировали про- стой в употреблении домашний компьютер для хозяйственных и дело- вых нужд. Это и положило начало знаменитой фирме "Эппл" с милли- ардными доходами и собственной линией развития персональных ком- пьютеров. Разумеется, в действительности все было не так просто. Однако, глядя на фотографию их популярной модели "Лайза II", трудно отде- латься от впечатления, что они изобрели портативную пишущую ма- шинку, которая подключается к бытовым телевизору и магнитофону и позволяет писать на экране вместо бумаги. Возможно, что это чисто внешнее "обытовление" компьютера, незаметность самого микропро- цессора, встроенного внутрь привычных в домашнем обиходе уст- ройств, сыграло определенную роль в преодолении психологического барьера, отделявшего прежде компьютер от его пользователей. Что же представляет собой персональный компьютер? Акаде- мик А. П. Ершов определял его как массово выпускаемую организо- ванную совокупность средств ввода, обработки, хранения, передачи и воспроизведения информации, находящуюся в полном распоряжении своего пользователя. Эта совокупность включает микропроцессор, ос- 195 новную память (постоянную и оперативную), внешнюю па- мять (накопители на жестком или гибких магнитных дисках), дисплей (монитор), клавиатуру, а также устройства для печати текстов и изо- бражений (принтер) и для связи с другими компьютерами по телефон- ным каналам (модем). В дешевых компьютерах дисплей и дисковод прежде могли заменяться бытовым телевизором и кассетным магнито- фоном, а принтер – электрической пишущей машинкой. Стоимость персонального компьютера непрерывно снижается и соразмерна со стоимостью такого бытового прибора, как телевизор. Поскольку дальше дается краткая характеристика каждого из основных устройств персонального компьютера, хочу оговориться, что к приво- димым мною данным нужно отнестись критически. Они быстро ста- реют, поскольку электронная техника развивается стремительно, а из- дательские процессы в нашей стране пока еще неторопливы. Микропроцессор, управляющий работой всех остальных компо- нентов, является центральным (хотя и малозаметным) устройством компьютера. Его вычислительная мощность характеризуется разрядно- стью, т. е. размером информационного слова, как бы задающим шири- ну тракта передачи данных, и частотой тактового генератора, обеспе- чивающего скорость каждого шага выполняемых машиной операций. Первые персональные компьютеры имели 8-разрядный процессор, т. е. работали со "словом", равным 8 битам (или 1 байту). Другими слова- ми, они передавали за один такт одну букву или две цифры. Сейчас распространены 16-, 32-, 64-разрядные микропроцессоры, а тактовая частота их работы за несколько лет возросла от 12 Гц до 2 МГц (млрд. периодов в сек.). Основная память состоит из постоянного запоминающего уст- ройства и оперативной памяти (с произвольной выборкой). В постоян- ной памяти навсегда записаны самые основные программы, которые работают сразу после включения компьютера, преобразуют в коды ко- манды, связанные с нажатием определенных клавиш. По мере увели- чения объема основной памяти в ее постоянную часть стремятся запи- сать все большее число системных программ. Запоминающее устройство с произвольной выборкой (опера- тивная память) служит для записи в основную память операционной системы, транслятора и прикладных программ, необходимых в данный момент для выполнения работы. Они считываются из внешней памяти накопителей на магнитных дисках. Минимальный объем основной па- мяти в персональном компьютере – 64 Кбайт (что составляет 196 64х1024 байт, или 65536 алфавитных знаков, включая пробелы, или 36,4 машинописных страниц, или 1,6 авторского листа). Стандартные объемы оперативной памяти современного персонального компьютера варьируют от 16 до 512 Мбайт. Внешняя память персональных компьютеров первоначально вы- полнялась на стандартной магнитофонной ленте в кассетах. Теперь она реализуется накопителями на магнитных дисках, которые подразделя- ются на жесткие и гибкие. Жесткие (твердые) диски обычно встраива- ются в один корпус с процессором, являются несъемными и обеспечи- вают высокую плотность записи и объем хранимой информации от нескольких сотен Мбайт до нескольких десятков Гбайт. Их обычное название "винчестер" объясняют тем, что их первоначальное устройст- во – два диска по 80 Кбайт – напоминало английскую двустволку тако- го же калибра, а по другой версии, что технология их изготовления была разработана в г. Винчестере. Гибкие получили название дискет (флоппи-дисков), представ- ляют собой сменные магнитные диски размером 3,5 дюйма в пласт- массовом корпусе. Они могут хранить файлы общим объемом до 1,4 Мбайт. Имеются специальные накопители на сменных дисках больше- го объема – от 100 Мбайт до нескольких гигабайт. Однако они быстро вытесняются более дешевыми компакт-дисками CD-ROM с возможно- стью записи (R) и перезаписи (RW) объемом до 700 Мбайт. В настоящее время в качестве внешней памяти широко исполь- зуются именно эти оптические компакт-диски, позволяющие хранить десятки Гбайт информации. Они представляют собой две склеенных стеклянных пластины диаметром 30 см., на внутренние поверхности которых нанесен тончайший слой теллурового сплава. Лучом лазера на это покрытие наносится свыше 30 тыс. спиральных дорожек, раз- деленных на сектора для облегчения к ним доступа. На этих дорожках затем выплавляются углубления изменяемой величины (около микро- на) в зависимости от интенсивности лазерного луча, которая модули- руется сигналами компьютера. Так производится первоначальная за- пись данных. Считываются эти углубления лучом меньшей мощности, отра- жение которого воспринимается фотоэлементом, преобразующим све- товые импульсы в электрические сигналы. Обычные компакт-диски для компьютеров штампуются как аудио- или видеодиски, так что вы- давленную на них информацию изменить нельзя. Записываемые и пе- резаписываемые на компьютере диски устроены более сложно и их 197 тиражирование значительно дороже. Дисплей (экран телевизора или монитора) – основное устрой- ство отображения информации, выводимой во время компьютера. Дисплеи бывают монохромными и цветными, отличаются по разме- рам, форматам (числу строк и символов в строке), разрешающей спо- собности (числу светящихся точек по горизонтали и вертикали), числу уровней яркости или цветов. Обычные дисплеи позволяют одновре- менно видеть на экране лишь часть страницы текста. В монохромных дисплеях оптимальным является адаптер "Hercules", в цветных после- довательное повышение качества реализуют CGA, EGA, VGA и SVGA (Color-, Extended-, Video-, Super Video-Graphic Adapter). В настоящее время все большее распространение получают жидкокристальные дисплеи, которые сначала встраивались в ноутбуки, а теперь применяются вместе с настольными компьютерами. Они за- нимают меньше места, потребляют меньше энергии, лучше использу- ют поверхность экрана, у них меньше излучение, нет не замечаемого, но вредного для зрения подрагивания изображения. Но пока они вдвое дороже мониторов с лучевой трубкой. Клавиатура служит средством ввода информации и управления работой компьютера путем нажатия клавиш, которые подразделяются на алфавитно-цифровые, функциональные, редактирующие и управля- ющие. Алфавитно-цифровые клавиши располагаются так же, как на пишущей машинке (по прежнему стандарту буквы латинского алфави- та располагались по транслитерационному принципу, т. е. А-А, В-Б, С- С и т. д.). В отличие от терминалов больших вычислительных машин клавиатура персональных компьютеров передает в микропроцессор не код символа, а порядковый номер и интервал длительности нажатия клавиши. Функциональные клавиши могут менять значение других, управляют системными программами, вызывают на экран стандартные элементы графики. Редактирующие клавиши управляют движением курсора (движущейся по экрану световой точки, прямоугольника или мигающей черты), который обозначает позицию очередного символа. Курсором можно управлять также при помощи специальных уст- ройств – "мыши" (полусферы, передвигаемой рукой по поверхности планшета), "джойстика" (используемого в динамических компьютер- ных играх) или "светового пера" (позволяющего менять изображение путем прикосновения к любой точке экрана). Принтеры (печатающие устройства) служат для вывода инфор- 198 мации на бумагу. По способу действия они делятся на матричные (го- ловка с иглами, управляемыми матрицей знаков), ромашковые (смен- ные лепестковые шрифтоносители), термографические (тепловое воз- действие на специальную бумагу), струйные (распыление струи спе- циальных чернил), лазерные (оптическая печать лучом лазера). Мат- ричные принтеры первоначально получили наибольшее распростране- ние, так как они быстрее ромашковых (до 200 зн/сек против 50 зн/сек) и позволяли печатать не только текст, но и любые изображения, не- прихотливы к качеству бумаги и значительно дешевле других. В на- стоящее время наиболее распространены лазерные и струйные принте- ры. Последние дешевле лазерных при покупке и в эксплуатации при почти таком же качестве печати и незначительно меньшей скорости. Важной характеристикой персонального компьютера является надежность. Он предназначен для устойчивой работы в бытовых усло- виях, без особых требований к температуре, влажности и чистоте ок- ружающего воздуха, к колебаниям напряжения или выключению тока в электросети. При последнем, правда, уничтожается содержание опе- ративной памяти (т. е. все наработанное с момента включения компь- ютера, если его периодически не сохранять). И при этом персональный компьютер обладает почти всеми возможностями большой вычисли- тельной машины, для которой упомянутые требования крайне сущест- венны. Нельзя не упомянуть о том, что появление персональных ком- пьютеров не было предвидено профессионалами. Фирма IBM в начале 70- х гг. заказала мозговому тресту "RAND Corporation" прогноз разви- тия ЭВМ, который стоил десятки миллионов долларов. В нем не было упоминания о такой возможности, хотя Джобс и Возняк, вероятно, уже работали над своей "Лайзой". Идеологи отечественной информатики вынуждены были признать, что персональный компьютер вошел в вы- числительное дело с черного хода и взломал сложившиеся представле- ния и в технологии и в программировании. Однако в настоящее время ряд компьютерных фирм разрабатывает идею «сетевого компьютера», который противопоставляется персональному, поскольку будет выпол- нять роль удаленного терминала больших машин в сети вычислитель- ных центров с распределенным банком данных. Появление и широкое распространение персональных компью- теров – явление революционное, вызвавшее к жизни феномен пер- сональных вычислений. Он заключается в том, что конечные пользова- тели – специалисты в самых разнообразных отраслях науки, техники, 199 народного хозяйства, культуры получили непосредственный доступ к машине, перестали нуждаться в профессиональных программистах. Существовавшее до сих пор положение, когда специалист, решавший свои задачи на машине, должен был объяснять их программисту, силь- но сдерживало применение ЭВМ. Как правило, существо решаемой задачи и ее особенности пол- ностью раскрываются в процессе решения. Поэтому предварительная постановка задачи перед программистом всегда отличается неточно- стью и приблизительностью. Программист же, формализуя и уточняя задачу, стремится к краткости и изяществу программы, к экономии вычислительных ресурсов машины, пренебрегая деталями задачи, ко- торые могут быть важными для ее решения. Поэтому неуклюжие и громоздкие программы, составленные конечными пользователями, часто отличаются от стройных и лаконичных профессиональных про- грамм тем, что они работают более эффективно, лучше решают задачи специалистов. Таким образом, феномен персональных вычислений заставляет нас по-новому взглянуть на проблему взаимоотношений машины и пользователя, которая существенна для решения таких глобальных за- дач, как всеобщая компьютерная грамотность или информатизация общества. Решение этих проблем, ставших в полном смысле социаль- ными, требует не только и даже не столько овладения средствами вы- числительной техники и их программирования. Они вызывают необхо- димость пересмотра отношения специалистов к существу своего дела и решаемых в нем задач. Ведь их решение при помощи компьютера вы- нуждает формализовать эти задачи, искать алгоритмы выполнения многих процессов, включая и интеллектуальные. Это новое явление Г. Р. Громов удачно назвал автоформализа- цией профессиональных знаний, и оно намечает тот путь, по которому информатика проникает во многие другие области знаний 1 Это создает у пользователя иллюзию умения программировать и подчас приводит его к большим затратам времени и сил с минималь- ным результатом при решении вычислительных задач, для которых . Особая ситуация складывается в программировании. Дело в том, что овладе- ние основами информатики часто понимают как обучение началам программирования на одном из простых языков, обычно на Бейсике. 1 Громов Г. Р. Национальные информационные ресурсы. – М.: Наука, 1984. – С. 52. 200 имеются хорошие профессиональные программы. Поэтому компью- терная грамотность предполагает в первую очередь хорошее знание всех типов прикладных программ, умение выбрать те конкретные про- граммы, которые адекватны решаемой задаче, и навыки в работе с ней. Тем не менее, общее представление о языках программирования и их эволюции необходимо каждому, приобщающемуся к интеллектуальной коммуникации. |