С. В. Ченцова. В. Чубарьинформатикакрасноярск 2002 введение
 Скачать 0.92 Mb.
|
|
парадигматическуюось, отражающую наличие различных взаимосвязей между элементами каждого уровня, Можно группировать их, например, по признакам сходства и различия: гласные - согласные, синонимы - антонимы, типы предложений. Помимо названных уровней, в информатике вводится еще один - текстовый, на котором тоже можно выделить синтагмы и парадигмы. Следование предложений в логическом порядке представляет логическую синтагму. Примером текстовой парадигмыможет служить группировка текстов по тематике, хронологии, формату и т.д. Особое значение выделение парадигматических и синтагматических осей имеет при разработке искусственных языков представления информации. 1.5. Требования, предъявляемые к социальной информации 10 Первое и главное требование к социальной информации это ее общедоступность. Это требование предполагает свободный доступ любого человека, группы людей, учреждений, организаций, предприятий к информационным фондам, знаниям, необходимым для решения задач жизнедеятельности. Исключение может составлять секретная информация, точно определяемая соответствующим законодательством и касающаяся либо военных тайн государства и коммерческих и технологических тайн, а также интимных подробностей личной жизни человека, использование которых может нанести ущерб определенной личности. Отсутствие монополии на информацию, создание общедоступных баз данных и знаний, в которые можно было бы войти с помощью домашнего компьютера и благодаря ему получить нужные сведения, развитие требуемой информационной технологии (компьютерных систем, программного обеспечения, интегрированных систем) - необходимые условия для выполнения этого непростого требования информированности общества. Второе важнейшее требование к информации - это понятность. Воспринять информацию - значит, прежде всего, понять ее, осмыслить. Для этого она должна быть выражена понятными для человека знаками на понятном ему естественном языке. Кроме того, информация должна содержать новое знание. Это требование, конечно необязательно применимо ко всем видам информации, более того оно относительно. Например, научная дисциплина «Информатика» в большей или в меньшей мере уже изучалась в средней школе и некоторые сведения из этой области вам уже известны. Необходимо также, чтобы передаваемая информация была достоверна, т.е. отвечала требованиям полноты и точности изложения ее содержания. Наиболее эффективно информация воспринимается в том случае, если она удовлетворяет требованиям актуальности, своевременности, логичности изложения сведений, представлена в удобной для человека форме. Актуальность информации определяется необходимостью и перспективностью использования ее в обществе. Своевременность предполагает передачу сообщений в возможно более короткие сроки с момента появления нового знания, Несвоевременность представления часто делает информацию ненужной, приводит к неоправданным затратам. Логичность облегчает понимание и усвоение материала. Этому же способствуют и компактность представления информации, и удобная форма, например хорошее полиграфическое оформление. Контрольные вопросы и задания: 1. Чем, по вашему мнению, в настоящее время является информатика: научной дисциплиной; 11 отраслью науки, изучающей процессы сбора, передачи, переработки, хранения, поиска, распространения и использования научной информации; фундаментальной наукой; отраслью народного хозяйства. 2. Что является предметом и объектом изучения информации? 3. Как определял информацию К. Шеннон? 4. Объясните происхождения единицы измерения информации? 5. Дайте определение понятию «информационные данные». 6. Перечислите, на какие виды можно разделить информацию 7. Как можно представить структуру информации? 8. Какие требования предъявляются к социальной информации? 9. Как вы думаете, любая ли информация должна быть общедоступна? 10. Подготовьте сообщения или рефераты по следующим темам: «Информационное неравенство»; «Социальные и психологические проблемы информационного общества». 12 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В настоящее время человеку помогают в его деятельности, связанной с обработкой и хранением информации электронные вычислительные машины (ЭВМ), которые появились только в середине ХХ века, но у этих машин были предшественники, так как научная и практическая деятельность человека с самого начала его истории потребовала от него умения вычислять, и чем больше человек узнавал об окружающем его мире, чем сложнее становились орудия его труда, тем больше требовалось ему вычислений, тем больше они занимали его время. Однако, нельзя не согласиться с выдающимся немецким ученым XVII века Г.В. Лейбницем:»...недостойно совершенства человеческого, подобно рабам, тратить часы на вычисления». И человечество всю историю своего существования придумывало приспособления, помогающие ему в этом труде. Развитие вычислительной техники (ВТ) принято делить на следующие этапы: 1. Ручной (домеханический) – с появлением человека разумного (примерно с 50-го тысячелетия до н.э. −). 2. Механический - с начала XVII века. 3. Электромеханический - с 90-х годов XIX века. 4. Электронный - с 40-х годов XX в. 2.1. Ручной период вычислений или период абака Ручной период автоматизации вычислений начался еще на заре человеческой цивилизации и базировался на использовании частей тела, в первую очередь пальцев рук и ног. Далее стали появляться другие вспомогательные средства счета: палочки, узелки, насечки и т.п. Характерными свойствами этих устройств было то, что в них отсутствовала автоматическая передача чисел из низшего порядка в высший. Выполнение операций сводилось к перекладыванию предметов по определенным правилам. Приспособления этого периода, такие как счетные доски, счеты, суан-пан и другие, объединены одним названием - абак. И, часто домеханический период называют также периодом абака. В те времена задача считалась решенной, если она решалась на абаке. Размеры абака примерно 40х50 см, на более мелких абаках легко совершить ошибку. Кроме облегчения вычислений, людям всегда хотелось увеличивать и скорость вычислений. В конце XIX века М. Свободский, на созданном им абаке (комплекте из 12−30 счетов) извлекал кубический корень из 21-значного числа за 3 минуты. К домеханическим приспособлениям относятся и палочки Непера, хорошо приспособленные для сложения и вычитания. Абака не были приспособлены для умножения деления, поэтому, открытие логарифмических таблиц Дж. Непером в начале XVII века, позволивших заменить умножение и 13 деление сложением и вычитанием, явилось следующим этапом развития вычислительных систем домеханического этапа. Непер предложил специальные счетные палочки, позволяющие производить операции умножения и деления. В основу метода положен способ умножения на бумаге, называющийся решеткой. Палочки Непера использовались вплоть до XX века. Даже когда появилось множество других приспособлений для счета, изобретатели возвращались к ним вновь и вновь, придумывая разнообразные приборы, основанные на палочках Непера. Еще одно замечательное устройство этого периода, прослужившее инженерам всего мира около 400 лет - это логарифмическая линейка. Прообразом этой линейки считается логарифмическая шкала Э. Гюнтера. Логарифмическая линейка постоянно совершенствовалась. Наиболее существенный вклад в ее модификацию внесли У. Отред, Р. Деламейн и французский офицер А. Манхейм. Логарифмическая линейка является венцом вычислительных инструментов ручного этапа развития ВТ. 2.2. Механический период За этот период было построено множество машин, которые стали хорошими помощниками при обработке статистических данных, в финансовых расчетах, при вычислениях в научных исследованиях. Перед первыми создателями механизмов, помогающих в вычислениях, стояли очень трудные задачи, например: как физически (предметно) представить числа в машине? Как осуществить ввод исходных числовых данных? Как выполнить арифметические операции механическим путем? Как осуществлять перенос десятков? Как представить вычислителю вводимые исходные данные и результаты вычислений? Вопросы, которые мы не задаем себе сегодня, пользуясь карманными калькуляторами или спидометром. Наиболее типичными представителями вычислительных машин этого периода являются арифмометры. Основными особенностями арифмометров являются автоматическая передача десятков и наличие подвижной каретки, что обеспечивает умножение. Одну из первых механических счетных машин предложил в 1623 г. В. Шиккард. Он описал свою машину в письмах к И. Кеплеру, которые были обнаружены в 1958 году. По ним Б. Фрейтаг-Лорингоф изготовил модели машины Шиккарда. Машина Шиккарда состояла из трех частей: суммирующего устройства (для сложения и вычитания), множительного устройства и механизма для фиксации промежуточных результатов. Принципиально новым было шестиразрядное суммирующее устройство, которое состояло из соединения зубчатых передач. Для каждого разряда была своя ось, на которой находилось по одной шестерне с десятью зубцами и по одному однозубому колесу (“пальцу”), служившему для дискретной передачи десятка в следующий разряд. 14 В машине Шиккарда просматривается устройство современных ЭВМ, в ней есть прототип запоминающих устройств современных машин. В 1641 году Блез Паскаль сконструировал первый образец своей суммирующей машины. Всего он изготовил несколько десятков машин, которые вошли в историю под именем суммирующих машин Паскаля. С принципиальной точки зрения машины Паскаля не отличались от машины Шиккарда, хотя Паскаль о ней ничего не знал, однако, технически они были совершеннее машины Шиккарда. Машина Паскаля проигрывала в быстродействии и имела небольшую емкость (6-8 разрядов), имела размер примерно 40х15х10 см, но она была более надежна, чем машина Шиккарда и многие другие машины, которые стали создаваться последователями Паскаля. Первый арифмометр или первую машину, которая могла не только суммировать и вычитать, но умножать и делить, сконструировал и построил Г. Лейбниц. В 1673 году он представил свою машину в Парижскую академию. Сложение и вычитание в машине Лейбница осуществлялось при помощи зубчатых передач и сводилось к набору чисел и считке результата. Основу машины составляли ступенчатые валики-цилиндрики с зубцами разной длины (эти цилиндрики и образуют валик, на котором нанесены зубцы в виде ступенек). Это и изобретение Лейбница было первым осуществлением зубчатого колеса с переменным числом зубцов. Именно такое колесо обеспечивает выполнение умножения и деления. Новым в машине Лейбница было также разделение машины на подвижную и неподвижную части. Подвижная часть (прототип современной подвижной каретки у арифмометра) позволила производить поразрядное умножение. Машина Лейбница была очень громоздкой (100х30х25 см), емкость ее ограничивалась размерами, однако, подвижная каретка повысила скорость выполнения умножения, хотя у нее и отсутствовал механизм гашения: каждое колесо устанавливалось в первоначальное положение самостоятельно, что уменьшало скорость вычисления. Машина Лейбница также как и машина Паскаля, стала прародительницей многих счетных машин, в том числе и современных арифмометров, которые можно было увидеть в действии вплоть до 70-х годов XX века. В VII-XVIII в.в. создавалось много счетных машин, которые либо совсем не использовались, либо использовались только самими разработчиками. В XIX веке было предложено много самых разнообразных машин, но большинство из них не получило распространения, так как их создатели заботились лишь об улучшении отдельных характеристик. Самыми известными из них являются: самосчеты В.Я. Буняковского (1867 г.) - прибор для сложения и вычитания; карманный прибор для сложения Пететина (Франция 1885 г.); арифмометр Л. Болле (1889 г.) В 1818 году Л. Томас сконструировал, а в 1820 году построил машину, которую впервые назвал арифмометром. Эта машина была настолько удачна, что выпускалась до конца XIX века и было выпущено более 1500 штук. 15 В основу арифмометра Томаса был положен ступенчатый валик Лейбница. На нем была довольно большая скорость вычислений: два 8-значных числа можно было умножить примерно за 15 секунд, а разделить 16-значное число на 8-значное - за 25. Надежность машины обеспечивалась контрольным счетчиком, счетчиком оборотов и других устройствами. Машина Томаса была долговечной, она использовалась при расчетах, связанных с подготовкой плана ГОЭЛРО в 1920 году. Машина Томаса постоянно совершенствовалась, ее размеры уменьшали, делая валики из полуцилиндров, а не из цилиндров, размещали их на разных уровнях. В музее истории Санкт-Петербурга хранится один экземпляр, созданной в 1878 году П.Л. Чебышевым суммирующей машины. Эта машина имела столько недостатков, что на ней никто не работал, нет также подтверждений, что на ней работал сам автор. Дело в том, что П.Л. Чебышев не ставил перед собой задачи создания удобной для пользования машины, его задачей было: найти новый принцип на котором могут строиться вычислительные машины. И эту проблему он решил. Чебышев доказал этой машиной и другими приспособлениями, что вычислительные машины могут быть построены на принципе непрерывной передачи десятков. Этот принцип быстро нашел свое применение во многих счетчиках (например, в спидометрах Теслы). Несмотря на то, что самыми распространенными счетными машинами механического периода были арифмометры, именно в это время были заложены теоретические основы современных ЭВМ. Прародителями их считаются Чарльз Бэббидж (1792-1871) - английский математик и экономист, и его помощница Августа Ада Лавлейс (1815-1852) - дочь лорда Байрона. В механический период на автоматизацию выполнения операций обращалось недостаточно внимания. Многие действия должен был выполнять сам вычислитель. Ч. Бэббидж первый выдвинул замысел вычислительной машины с программным управлением, который был заложен им еще в 1834 году в его проект аналитической машины. Свой проект Бэббидж не реализовал, этого не смог сделать в последствии и его сын. Развитие техники к тому времени не позволяло этого: электромеханические реле, появившиеся к этому времени были ненадежны, однако, Бэббидж рассматривал в качестве возможного источника энергии паровые двигатели. Опередив свое время на сто лет, Бэббидж в статье «О математической производительности счетной машины» подробно описал свой проект. Его аналитическая машина состояла из следующих четырех частей: 1) блок хранения исходных данных и результатов вычислений. Он состоял из набора зубчатых колес, идентифицирующих цифры подобно арифмометру. Колеса объединялись в регистры для хранения многоразрядных десятичных чисел. Этот блок Бэббидж назвал складом; 2) блок обработки чисел из склада, его Бэббидж назвал мельницей (теперь это логическое устройство); 16 3) блок управления последовательностью вычислений, ему Бэббидж не дал названия, (теперь это устройство управления); 4) блок ввода исходных данных и печати результатов (устройство ввода- вывода). Здесь сразу следует отметить, что, несмотря на то, что элементная база современных компьютеров такая, какой не могли во время Бэббиджа придумать фантасты, принципы построения аналитической машины и современных ЭВМ, те же. Для ввода информации и управления процессом вычислений Бэббидж предлагал перфокарты, существовавшие до конца 80-х годов XX века. Для вывода информации Бэббидж предлагал устройство, выводящее окончательный и промежуточный результат на бумагу. Для вывода графиков расчетов он предлагал использовать графопостроитель. Долговременное хранение информации предлагалось на специальных металлических пластинках или дисках. Вклад Бэббиджа в развитие вычислительной техники трудно переоценить. Основатель кибернетики, разработчик теории информации Норберт Винер оценил вклад Бэббиджа так: «Бэббидж имел удивительно современные представления о вычислительных машинах, однако, имевшиеся в его распоряжении технические средства намного отставали от его представлений». Рассказывая о Бэббидже, нельзя обойти стороной имя его ученицы и соратницы Ады Лавлейс. Она сделала полное и доступное описание машины Бэббиджа, написала первую программу для счетной машины, проектировала некоторые узлы машины, исследовала возможность применения двоичной системы счисления, принятой в современныx ЭВМ, высказала ряд идей, которые нашли применение в наше время. Аду Лавлейс можно считать первым программистом, и один из современных языков программирования носит в ее честь имя Ада. 2.3. Электромеханический период Этот этап является наименее продолжительным: с 1887 по 1945 год. Став привычными и необходимыми, арифмометры перестали устраивать из-за скорости вычислений. Она зависела от скорости вращения ручки. Первым, что было внедрено для увеличения скорости счета арифмометров, была замена ручки прибора электроприводом. Скорость вычислений при этом увеличилась, а вот скорость ввода чисел не шла ни в какое сравнение с вычислениями. Чтобы устранить эту диспропорцию, в машины ввели клавишную установку. Устранение этих недостатков повлекло за собой и другие усовершенствования: развитие техники пошло по пути автоматизации. В начале были созданы машины, выполняющие автоматически только деление, их называют полуавтоматами. Затем появились машины, которые автоматически выполняли умножение, их стали называть автоматическими. Широкое распространение получили полуавтоматические и автоматические 17 электрические вычислительные машины «Рейнметалл”, “Гаман-Селекта”, ВК-2, ВММ-2 и др. С создания первого табулятора Германом Голлеритом (США) в 1887 году начинается электромеханический этап развития вычислительной техники. В 1890 году машина Голлерита была применена для переписи населения. В качестве информационного носителя Голлерит использовал перфокарты. Испытания машина Голлерита прошла успешно и использовалась для переписи населения в России (1897 г.), Австро-Венгрии (1890), в Канаде (1891). В 1890 году Голлерит организовал фирму Tabulating Mashine Company, в 1911 году Голлерит отошел от дел, продал свою фирму, которая объединившись с другими фирмами получила название International Business Mashines Corporation или IBM. Г. Голлерит стал основоположником нового направления в развитии ВТ - счетно-перфорационного (счетно-аналитического), состоящего в применении табуляторов для выполнения широкого круга экономических, статистических и научно-технических расчетов. На основе работ Голлерита и в других странах начали производиться модели счетно-аналитических комплексов таких как: «Пауэрс» фирмы “Ремингтон”, “Бюль” фирмы “Бюль” и, конечно, «Голлерит» фирмы IBM. В Советском Союзе в 30-е годы создается завод счетно-аналитических машин (САМ), реконструируется завод по выпуску арифмометров “Феликс”. В это время начинают применяться табуляторы с алфавитно-цифровым выводом и создаваться счетно-аналитические комплексы - прообразы локальных информационных сетей. В универмаге города Питсбурга (США) такая система содержала 250 терминалов, соединенных телефонными каналами с 20 табуляторами “Пауэрс” и с 15 пишущими машинками. В 40-е годы XX века создаются релейные и релейно-механические системы с программным управлением, характеризующимся алгоритмической универсальностью и способные выполнять сложные научно-технические вычисления в автоматическом режиме со скоростями на порядок превышающими скорость работы арифмометров с электроприводом. Наибольший вклад в развитие машин этого типа внесли К. Цузе в Германии и Атанасов Д., Айкен Г. и Стиблиц Д. в США. Машины К. Цузе серии Z - Z-1, Z-2, несмотря на воплощение в них многих новых идей (хранение информации в запоминающем устройстве (ЗУ), использования двоичной системы счисления, управления программой) - уступали по надежности и использовали не все идеи машины Бэббиджа. В 1941 году К. Цузе создал модель Z-3 - первую |