Учебник Информатика. Базовый курс. Симонович С.В.. С. В. Симоновичаинформатикабазовый курс2е издание
 Скачать 17.96 Mb.
|
|
Вопросы для самоконтроля 1. Как вы можете объяснить бытовой термин «переизбыток информации»? Что име- ется в виду: излишняя полнота данных; излишняя сложность методов; неадек- ватность поступающих данных и методов, имеющихся в наличии? 2. Как вы понимаете термин «средство массовой Что это? Средство массовой поставки данных? Средство, обеспечивающее массовое распростране- ние методов? Средство, обеспечивающее информирования путем поставки гражданам, обладающим адекватными методами потребления? 3. Как вы полагаете, являются ли данные товаром? Могут ли методы быть товаром? 4. На примере коммерческих структур, обеспечивающих коммуникационные услуги, покажите, как взаимодействуют между собой маркетинг данных и маркетинг методов? Можете ли вы привести примеры лизинга данных и методов? 5. Как вы понимаете диалектическое единство данных и методов? Можете ли вы привести примеры аналогичного единства двух понятий из других научных дисциплин: естественных, социальных, технических? 6. Как вы понимаете динамический характер информации? Что происходит с ней по окончании информационного процесса? 7. Можем ли мы утверждать, что данные, полученные в результате информаци- онного процесса, адекватны исходным? Почему? От каких свойств исходных данных и методов зависит адекватность результирующих данных? 8. Что такое вектор данных? Является ли список номеров телефонов населенного пункта вектором данных? Является ли вектором данных текстовый документ, закодированный двоичным кодом, если он не содержит элементов оформления? 9. Является ли цифровой код цветного фотоснимка вектором данных? Если нет, то чего ему не хватает? 10. Как вы понимаете следующие термины: аппаратно-программный интерфейс, программный интерфейс, аппаратный интерфейс? Как бы вы назвали специ- альность людей, разрабатывающих аппаратные интерфейсы? специальность людей, разрабатывающих программные интерфейсы? На основе личных наблюдений сделайте вывод о том, какими средствами может пользоваться преподаватель для обеспечения интерфейса с аудиторией. Можете ли вы рассмотреть отдельно методические и технические средства, имеющиеся в его распоряжении? Может ли преподаватель рассматривать вашу тетрадь и авто- ручку как свое средство обеспечения интерфейса? Если да, то в какой мере? История развития средств вычислительной техники Вычислительная система, компьютер Изыскание средств и методов механизации и автоматизации работ — из основ- ных задач технических дисциплин. Автоматизация работ с данными имеет свои и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются элек- тронными приборами. Совокупность устройств, предназначенных для автомати- ческой или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной тех- никой. Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычисли- тельной системой. Центральным устройством большинства вычислительных сис- тем является компьютер. Компьютер — это электронной прибор, предназначенный для автоматизации созда- ния, хранения, обработки и транспортировки данных. Принцип действия компьютера В определении компьютера как прибора мы указали определяющий признак — электронный. Однако автоматические вычисления не всегда производились элек- тронными устройствами. Известны и механические устройства, способные выпол- нять расчеты автоматически. Анализируя раннюю историю вычислительной техники, некоторые зарубежные исследователи нередко в качестве древнего предшественника компьютера называют механическое счетное устройство абак. Подход «от абака» свидетельствует о глубо- ком методическом заблуждении, поскольку абак не обладает свойством автомати- ческого выполнения вычислений, а для компьютера оно определяющее. 2.1. История развития средств вычислительной техники 39 Абак — наиболее раннее счетное механическое устройство, первоначально представ- лявшее собой глиняную пластину с желобами, в которых раскладывались камни, пред- ставляющие числа. Появление абака относят к четвертому тысячелетию до н. э. Местом появления считается Азия. В средние века в Европе абак сменился разграфленными таблицами. Вычисления с их помощью называли счетом на линиях, а в России в XVI— XVII веках появилось намного более передовое изобретение, применяемое и поныне, — русские счеты. В то же время, нам хорошо знаком другой прибор, способный автоматически выпол- нять вычисления, — это часы. Независимо от принципа действия, все виды часов (песочные, водяные, механические, электрические, электронные и др.) обладают способностью генерировать через равные промежутки времени перемещения или сигналы и регистрировать возникающие при этом изменения, то есть выполнять автоматическое суммирование сигналов или перемещений. Этот принцип просле- живается даже в солнечных часах, содержащих только устройство регистрации (роль генератора выполняет система Земля — Солнце). га Механические часы — прибор, состоящий из устройства, автоматически выполняющего перемещения через равные заданные интервалы времени и устройства регистрации этих перемещений. Место появления первых механических часов неизвестно. Наиболее ранние образцы относятся к XIV веку и принадлежат монастырям (башенные часы). В основе любого современного компьютера, как и в электронных часах, лежит так- товый генератор, вырабатывающий через равные интервалы времени электриче- ские сигналы, которые используются для приведения в действие всех устройств компьютерной системы. Управление компьютером фактически сводится к управле- нию распределением сигналов между устройствами. Такое управление может про- изводиться автоматически (в этом случае говорят о программном управлении) или вручную с помощью внешних органов управления — кнопок, переключателей, пере- мычек и т. п. (в ранних моделях). В современных компьютерах внешнее управле- ние в значительной степени автоматизировано с помощью специальных аппаратно- логических интерфейсов, к которым подключаются устройства управления и ввода данных (клавиатура, мышь, джойстик и другие). В отличие от программного управ- ления такое управление называют интерактивным. Механические Первое в мире автоматическое устройство для выполнения операции сложения было создано на базе механических часов. В 1623 году его разработал Вильгельм Шикард, профессор кафедры восточных языков в университете Тюбингена (Германия). В наши дни рабочая модель устройства была воспроиз- ведена по чертежам и подтвердила свою работо- способность. Сам изобретатель в письмах называл машину «суммирующими часами». В 1642 году французский механик Блез Паскаль (1623-1662) разработал более компактное сумми- рующее устройство (рис. 2.1), которое стало пер- Рис. 2.1. Суммирующая машина вым в мире механическим калькулятором, выпус- Паскаля 40 Глава 2. Вычислительная техника кавшимся серийно (главным для нужд парижских ростовщиков и менял). В 1673 году немецкий математик и философ Г. В. Лейбниц создал меха- нический калькулятор, который мог выполнять операции умножения и деления путем многократного повторения операций сложения и вычитания. На протяжении XVIII века, известного как эпоха Просвещения, появились новые, более совершенные модели, но принцип механического управления вычислитель- ными операциями оставался тем же. Идея программирования вычислительных опе- раций пришла из той же часовой промышленности. Старинные монастырские ба- шенные часы были настроены так, чтобы в заданное время включать механизм, связанный с системой колоколов. Такое программирование было жестким — одна и та же операция выполнялась в одно и то же время. Идея гибкого профаммирования механических устройств с помощью перфорированной бумажной ленты впервые была реализована в году в ткацком станке Жаккарда, после чего оставался только один шаг до программного управления вычислитель- ными операциями. Этот шаг был сделан выдающимся английским матема- тикоми изобретателем Чарльзом Бэббиджем (1792-1871) в его Аналитической машине, которая, к сожалению, так и не была до конца построена изобретателем при жизни, но была воспроизведена в наши дни по его чертежам, так что сегодня мы вправе говорить об Аналитической машине, как о реально существующем устройстве. Особенностью Аналитической машины стало то, что здесь впервые был реализован принцип разделения информации на команды и данные. машина содержала два крупных узла — «склад» и «мельницу». Данные вводились в меха- ническую память «склада» путем установки блоков шесте- рен, а потом обрабатывались в «мельнице» с использова- нием команд, которые вводились с перфорированных карт (как в ткацком станке Жаккарда). Рис. 2.2. Чарльз Бэббидж Исследователи творчества Чарльза Бэббиджа непременно отмечают особую роль в разработке проекта Аналитической машины графини Огасты Ады Лавлейс (1815-1852), дочери известного поэта лорда Байрона. Именно ей принадлежала идея использова- ния перфорированных для программирования вычислительных операций (1843). В частности, в одном из писем она писала: «Аналитическая машина точно так же плетет алгебраические узоры, как ткацкий станок воспроизводит цветы и листья». Леди Аду можно с полным основанием назвать самым первым в мире программистом. Сегодня ее именем назван один из известных языков программирования. Идея Чарльза Бэббиджа о раздельном рассмотрении команд и данных оказалась необычайно плодотворной. В XX в. она была развита в принципах Джона фон Ней- мана (1941 г.), и сегодня в вычислительной технике принцип раздельного рассмотрения программ и данных имеет очень важное значение. Он учитывается и при разработке архитектур современных компьютеров, и при разработке компью- терных программ. История развития средств вычислительной техники Математические первоисточники Если мы задумаемся над тем, с какими объектами работали первые механические предшественники современного электронного компьютера, то должны признать, что числа представлялись либо в виде линейных перемещений цепных и реечных механизмов, либо в виде угловых перемещений зубчатых и рычажных механизмов. И в том и в другом случае это были перемещения, что не могло не сказываться на габаритах устройств и на скорости их работы. Только переход от регистрации пере- мещений к регистрации сигналов позволил значительно снизить габариты и повы- сить быстродействие. Однако на пути к этому достижению потребовалось ввести еще несколько важных принципов и понятий. Двоичная система Лейбница. В устройствах зубчатые колеса могут иметь достаточно много фиксированных и, главное, различимых между собой поло- жений. Количество таких положений, по крайней мере, равно числу зубьев шесте- рни. В электрических и электронных устройствах речь идет не о регистрации поло- жений элементов конструкции, а о состояний элементов устройства. Таких устойчивых различимых состояний всего два: включен — выключен; открыт — закрыт; заряжен — разряжен и т. п. Поэтому традиционная десятичная система, использованная в механических калькуляторах, неудобна для электронных вычис- лительных устройств. Возможность представления любых чисел (да и не только чисел) двоичными цифрами впер- вые была предложена Готфридом Вильгельмом Лейбницем в году Он пришел к ной системе счисления, занимаясь исследова- ниями философской концепции и борьбы противоположностей. Попытка пред- ставить мироздание в виде непрерывного вза- имодействия двух начал («черного» и «белого», мужского и женского, добра и зла) и приме- нить к его изучению методы «чистой» матема- тики подтолкнули Лейбница к изучению свойств двоичного представления данных с Рис. Вильгельм помощью и единиц. Надо сказать, что Лейбницу уже тогда приходила в голову мысль о возможности дво- ичной системы в вычислительном устройстве, но, поскольку для устройств в этом не было никакой необходимости, он не стал использовать в своем калькуляторе (1673 году) принципы двоичной системы. Математическая логика Джорджа Буля. Говоря о творчестве Буля, иссле- дователи истории вычислительной техники непременно подчеркивают, что этот выдающийся английский ученый первой половины XIX века был самоучкой. Воз- можно, именно благодаря отсутствию «классического» (в понимании того времени) образования Джордж Буль внес в логику как в науку революционные изменения. Занимаясь исследованием законов мышления, применил в логике систему фор- мальных обозначений и правил, близкую к математической. Впоследствии эту 42 Глава 2. Вычислительная техника тему логической алгеброй или булевой алге- брой. Правила этой системы применимы к самым разнообразным объектам и их группам {множе- по терминологии автора). Основное назна- чение системы, по замыслу Дж. Буля, состояло в том, чтобы логические высказывания и сводить структуры логических умозаключений к простым выражениям, близким по форме к мате- матическим формулам. Результатом формального расчета логического выражения является одно из двух логических значений: истина или ложь. Значение логической алгебры долгое время игнори- ровалось, поскольку ее приемы и методы не содер- жали практической пользы для науки и техники того времени. Однако, когда появилась принципиальная возможность создания средств вычислительной техники на электронной базе, операции, введенные Булем, оказались весьма полезны. Они изначально ориентированы на работу только с двумя сущностями: истина и ложь. Нетрудно понять, как они пригодились для работы с двоичным кодом, который в современных компьютерах тоже представляется всего двумя сигналами: ноль и единица. Не вся система Джорджа Буля (как и не все предложенные им логические опера- ции) были использованы при создании электронных вычислительных машин, но четыре основные операции: И (пересечение), ИЛИ (объединение), НЕ (обращение) и — лежат в основе работы всех видов процессоров совре- менных компьютеров. Рис. 2.4. Джордж Буль Рис. 2.5. Основные операции логической алгебры 2.2. Методы классификации компьютеров Существует достаточно много систем классификации компьютеров. Мы рассмотрим лишь некоторые из них, сосредоточившись на тех, о которых наиболее часто упо- минают в доступной технической литературе и средствах массовой информации. Классификация по назначению Классификация по назначению — один из наиболее ранних методов классифика- ции. Он связан с тем, как компьютер применяется. По этому принципу различают большие ЭВМ (электронно-вычислительные машины), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и 2.2. Методы классификации компьютеров 43 персональные компьютеры, которые, в свою очередь, подразделяют на массовые, деловые, портативные, развлекательные и рабочие станции. Большие ЭВМ. Это самые мощные компьютеры. Их применяют для обслуживания очень крупных организаций и даже целых отраслей народного хозяйства. За рубе- жом компьютеры этого класса называют мэйнфреймами (mainframe). В России за ними закрепился термин большие ЭВМ. Штат обслуживания большой ЭВМ дости- гает многих десятков человек. На базе таких суперкомпьютеров создают вычисли- тельные центры, включающие в себя несколько отделов или групп. Центральный процессор Группа технического обеспечения Группа подготовки данных Группа системного программирования Группа прикладного программирования fc информационного обеспечения Рис. Структура современного вычислительного центра на базе большой ЭВМ Центральный процессор — основной блок ЭВМ, в котором непосредственно и про- исходит обработка данных и вычисление результатов. Обычно центральный про- цессор представляет собой несколько стоек аппаратуры и размещается в отдель- ном помещении, в котором соблюдаются повышенные требования по температуре, влажности, защищенности от электромагнитных помех, пыли и дыма. Группа системного программирования занимается разработкой, отладкой и внедре- нием программного обеспечения, необходимого для функционирования самой вычислительной системы. Работников этой группы называют системными програм- мистами. Они должны хорошо знать техническое устройство всех компонентов ЭВМ, поскольку их программы предназначены в первую очередь для управления физиче- скими устройствами. Системные программы обеспечивают взаимодействие программ более высокого уровня с оборудованием, то есть группа системного программиро- вания обеспечивает программно-аппаратный интерфейс вычислительной системы. Глава 2. Вычислительная техника Группа прикладного программирования занимается созданием программ для выпол- нения конкретных операций с данными. Работников этой группы называют приклад- ными программистами. В отличие от системных программистов им не надо знать техническое устройство компонентов ЭВМ, поскольку их программы работают не с устройствами, а с программами, подготовленными системными программистами. С другой стороны, с их программами работают пользователи, то есть конкретные исполнители работ. Поэтому можно говорить о том, что группа прикладного програм- мирования обеспечивает пользовательский интерфейс системы. Группа подготовки данных занимается подготовкой данных, с которыми будут работать программы, созданные прикладными программистами. Во многих случаях сотруд- ники этой сами вводят данные с помощью клавиатуры, они могут выполнять и преобразование готовых данных из одного вида в другой. Например, они могут получать иллюстрации, нарисованные художниками на бумаге, и их в электронный вид с помощью специальных устройств, называемых сканерами. Группа технического обеспечения занимается техническим обслуживанием всей вычислительной системы, ремонтом и наладкой устройств, а также подключением новых устройств, необходимых для работы прочих подразделений. Группа информационного обеспечения обеспечивает технической информацией все прочие подразделения вычислительного центра по их заказу. же группа создает и хранит архивы ранее разработанных программ и накопленных данных. Такие архивы называют библиотеками программ или банками данных. Отдел выдачи данных получает данные от центрального процессора и преобразует их в форму, удобную для заказчика. Здесь информация распечатывается на печата- ющих устройствах (принтерах) или отображается на экранах дисплеев. Большие ЭВМ отличаются высокой стоимостью оборудования и обслуживания, поэтому работа таких суперкомпьютеров организована по непрерывному циклу. Наиболее трудоемкие и продолжительные вычисления планируют на ночные часы,- когда количество обслуживающего персонала минимально. В дневное время исполняет менее трудоемкие, но более многочисленные задачи. При этом для повы- шения эффективности компьютер работает одновременно с несколькими задачами и, соответственно, с несколькими пользователями. Он поочередно переключается одной задачи на другую и делает это настолько быстро и часто, что у каждого пользователя создается впечатление, будто компьютер работает только с ним. Такое распределение ресурсов вычислительной системы носит название принципа раз- деления времени. |