|
В первой половине XIX в. англичанин Чарльз Бэббидж (1791-1871)
разработал конструкцию машины, которую можно было бы назвать первым
компьютером. Но он не был построен, так как машина должна была быть
механической, а необходимая точность изготовления деталей для этой машины
в середине XIX в. была недостижима. Устройство компьютера по чертежам
Бэббиджа было описано Августой Адой Лавлейс. Она же разработала
теорию программирования, написала несколько программ для еще не существующей
вычислительной машины. Загружать программу надо было при помощи карточек
с пробитыми дырочками - перфокарт.
Основные части первого компьютера были теми же, что и в любой современной
ЭВМ:
- устройство для ввода данных;
- запоминающее устройство, способное хранить исходные данные и промежуточные
результаты (Бэббидж назвал его "складом");
- арифметико-логическое устройство, выполняющее арифметические и логические
операции ("мельница");
- устройство управления, руководящее перемещениями со "склада"
на "мельницу" и работой "мельницы" и обеспечивающее
выполнение нужных действий в нужном порядке по заданной программе;
- устройство для вывода результата.
Приборы, которые можно отнести к программируемым устройствам:
- математик и корабел А. Н. Крылов (1863-1945) изобрел машину для
решения дифференциальных уравнений;
- в 1915 г. немецкая фирма "Аскания" построила вычислительную
машину для расчета времени приливов и отливов на северном побережье
Германии, она работала до 1975 г.;
- в 1804 г. французский инженер Жозеф Мари Жаккард сконструировал
станки, которые ткали сложные узоры, руководствуясь последовательностью
перфокарт;
- различные музыкальные автоматы, шарманки, механические пианино.
2.2. Архитектура фон Неймана. Кибернетика 
В 40-х годах XX в. американец венгерского происхождения Джон (Янош)
фон Нейман (1903-1957) включился в работу по созданию ЭВМ для
управления береговой ПВО. Разрабатывался "ЭНИАК" - электронный
численный интегратор и автоматический вычислитель. Но эта машина имела
принципиальный недостаток: в ней отсутствовало устройство для запоминания
и хранения команд.
В 1945 г. Джон фон Нейман выступил с докладом, в котором были сформулированы
основные принципы организации нового вычислительного устройства, получившие
название "архитектура фон Неймана".
АЛУ - арифметико-логическое устройство для выполнения арифметических
и логических операций;
ОП - оперативная память, устройство для хранения кодов выполняющейся
в данный момент программы;
ВУ - внешние устройства, или периферия. Обычно их делят на два класса:
внешнюю память (накопитель на гибких магнитных дисках, накопитель на
жестких магнитных дисках, CD-диски, магнитооптические диски) и устройства
ввода/вывода информации (устройства ввода: клавиатура, мышь, микрофон,
сканер; устройства вывода: дисплей, принтер, акустические колонки, плоттер);
УУ - управляющее устройство, которое организует работу компьютера следующим
образом:
а) помещает в ОП коды программы из ВУ;
б) считывает из ячейки ОП и организует выполнение первой команды
программы;
в) определяет очередную команду и организует ее выполнение;
г) постоянно синхронизирует работу устройств, имеющих различную скорость
выполнения операций, путем приостановки выполнения программы.
В 1946 г. фон Нейман начинает разработку новой машины, и в 1949 г.
была построена электронная машина по обработке дискретных переменных
"ЭДВАК", которая впоследствии была признана первым компьютером.
Норберт Винер (1894-1964), работая вместе с Джоном фон Нейманом,
обратил внимание на то, что процессы, управляющие сложной электронной
системой, аналогичны процессам нейрофизиологии, изучающей целенаправленную
деятельность живых существ. Сохранение работоспособности таких систем
достигается за счет обратной связи, она позволяет отслеживать и корректировать
уже начатое, но еще не законченное до конца действие. Существование
обратной связи позволяет рассматривать сложные системы различной природы
- физической, социальной, биологической - с единой точки зрения. Это
и есть основы кибернетики. В 1948 г. вышла в свет книга Н. Винера "Кибернетика,
или Управление и связь в живом мире и машинах". Термин "кибернетика"
в переводе с древнегреческого обозначает искусство управления кораблем.
Под кибернетикой сегодня понимают серию научных дисциплин, изучающих
общие законы управления и взаимосвязей, действующие в системах различной
природы.
2.3. Устройство современного компьютера
Распространение персональных компьютеров к концу 70-х годов привело
к некоторому снижению спроса на большие ЭВМ и мини-ЭВМ.
Это серьезно беспокоило руководство фирмы IBM (International Business
Machines Corporation) - ведущей компании по производству больших
ЭВМ. И в 1979 г. фирма IBM решила попробовать свои силы на рынке персональных
компьютеров.
Однако руководство фирмы недооценило будущую важность этого рынка,
рассматривая создание компьютера всего лишь как мелкий эксперимент.
Чтобы не тратить на этот эксперимент много средств, руководство фирмы
разрешило подразделению использовать блоки, изготовленные другими фирмами.
Фирма IBM сделала компьютер не единым неразъемным устройством, а обеспечила
его сборку из независимо изготовленных частей по принципу открытой архитектуры.
На основной электронной плате (системной или материнской)
размещены только блоки, которые осуществляют обработку информации (вычисления):
процессор, возможно математический сопроцессор, контроллеры, микросхемы
оперативной памяти. Схемы, управляющие всеми остальными устройствами
компьютера (монитором, дисками, принтером и т. д.), реализованы на отдельных
платах, которые вставляются в стандартные разъемы (слоты) на
системной плате. К этим электронным схемам подводится электропитание
из единого блока питания, а для удобства и надежности все это заключается
в общий металлический или пластиковый корпус - системный блок.
Компьютер состоит из разрозненных частей. Для того
чтобы он работал как единый механизм, необходимо осуществлять обмен
данными между различными устройствами, за это отвечает системная
(магистральная) шина. К ней через контроллеры подключены
внешние устройства, которые обмениваются данными с оперативной памятью.
Обмен данными между устройствами ЭВМ обусловлен ограничением функций,
выполняемых этими устройствами, и должен быть запрограммирован. Выполняемая
программа хранится в оперативной памяти компьютера и через системную
шину передает в процессор команды на выполнение определенных операций.
Процессор на их основе формирует свои команды управления, которые
по системной шине поступают на соответствующие устройства. Для выполнения
операций обработки данных процессор передает в оперативную память адреса
необходимых данных и получает их. Результаты обработки направляются
в оперативную память. Данные из оперативной памяти могут быть переданы
на хранение во внешние запоминающие устройства, для отображения на дисплее,
вывода на печать, передачи в вычислительную сеть.
Важными техническими характеристиками, влияющими на производительность
компьютера, являются показатели частоты процессора, разрядность и машинное
слово.
Количество разрядов, которое может быть воспринято, передано или получено
за одно обращение к процессору, называется его разрядностью.
Количество информации, записываемое или извлекаемое из памяти за одно
обращение, называется машинным словом.
2.4. Поколения компьютеров
Один из способов классификации компьютеров, учитывающий основные конструктивные
элементы,- это распределение компьютеров по поколениям.
1-е поколение. Время появления - начало 50-х годов XX в. Основной
элемент, на котором строилось управление компьютером,- электронная
лампа. Первая машина для свободной продажи "ЮНИВАК" (США)
была выпущена в 1951 г. Самой лучшей в СССР была серийная машина М-20
со скоростью 20 тыс. операций в секунду.
2-е поколение. В середине 50-х годов XX в. появились компьютеры
с элементной базой на полупроводниках, долговременные запоминающие
устройства на магнитных лентах. Начали применять языки программирования
высокого уровня, такие как Фортран. Скорость лучшего в СССР компьютера
- БЭСМ-2 - 1 млн операций в секунду.
3-е поколение. В середине 60-х годов XX в. были выпущены компьютеры
серии IBM-360 (США), на которых вместо разрозненных транзисторов были
использованы малые интегральные схемы. Появились магнитные диски.
В СССР типичными представителями стали компьютеры единой системы (ЕС)
и системы машин (СМ). Скорость обработки данных у мощных машин достигала
10 млн операций в секунду.
4-е поколение. Появление компьютеров этого поколения связывают
с разработкой (фирма Intel, США, 1971 г.) микропроцессора на базе
больших интегральных схем (БИС). Созданы персональные компьютеры,
которые стали основой компьютеризации общества. Скорость обработки
данных - до 50 млн операций в секунду.
5-е поколение. Элементной базой являются сверхбольшие интегральные
схемы (СБИС), ультрабольшие интегральные схемы (УБИС) и гигабольшие
интегральные схемы (ГБИС). Мультимедийные компьютеры на базе процессора
Pentium (или подобного ему), способные обеспечить создание виртуальной
реальности. Скорость обработки - 100 млн операций в секунду. Примером
отечественной суперЭВМ является многопроцессорный вычислительный комплекс
"Эльбрус" с быстродействием до 120 млн операций в секунду.
2.5. Виды программного обеспечения
Информация в компьютере хранится в файлах. Для удобства поиска нужного
файла и размещения информации, относящейся к какой-либо задаче (теме,
пользователю), создаются каталоги (директории).
Файл - поименованная область памяти компьютера, где может храниться
информация (тексты программ, документы, готовые к выполнению программы
и т. д.). Имя файла состоит из двух частей: собственно имени файла и
расширения от одного до трех символов, указывающего тип файла.
Папка (директория, каталог) - это специальное место на диске,
в котором хранятся имена файлов, сведения о размере файлов, времени
их последнего обновления и т. д.
Программное обеспечение - совокупность программных средств для
обеспечения нормальной работы вычислительной системы, подразделяется
на общее и прикладное программное обеспечение.
Программные средства
Общее программное обеспечение
1. Операционная система - это комплекс программ, обеспечивающий
управление компьютером как единым целым, его взаимодействие с окружающей
средой (человеком, прикладными программами, другими системами).
Операционная система является главной частью системного программного
обеспечения и управляется командами.
Основные функции операционных систем:
- ведение файловой системы;
- распределение оперативной памяти;
- динамическая компоновка выполняемых программ;
- обработка прерываний;
- обеспечение многозадачной работы.
2. Системы программирования включают в себя язык программирования,
средства для удобства редактирования текстов программ, а также методы
отладки программ и различные сервисные функции для облегчения труда
программиста.
Интерфейс (interface) - правила взаимодействия операционной
системы с пользователем или прикладными системами (программами, вычислительными
средствами).
Язык программирования - это совокупность
набора символов (алфавита) системы, правил пользования (синтаксис) и
истолкования конструкций из символов (семантика) для задания алгоритмов
с использованием символов естественного языка.
Существуют три вида языков программирования:
- языки низкого уровня (на уровне машинных кодов, язык типа ассемблер)
- это машинно-ориентированные языки, поэтому и программы на них занимают
значительно меньше места и довольно быстродейственны, но работа на
таких языках требует от программиста высокого искусства;
- языки высокого уровня приближены к естественному языку, чаще всего
к английскому, имеют интерпретатор, т. е. специальное устройство для
перевода текста программы в компьютерные коды. Примеры таких языков:
Basic, C, Fortran, Pascal и др.;
- объектно-ориентированные языки, в которых оперирование идет объектами
(окно, меню, кнопка, указатель и т. д.), позволяют писать программы
с единым интерфейсом, облегчают программирование рутинных операций
оформления программы. Примеры: Object Pascal, Visual Basic, Visual
FoxPro, Java и др.
3. Программы технического обслуживания предназначены для нормализации
работы компьютера, периферийных устройств, форматирования и восстановления
дисков, также к ним относятся антивирусные программы и другие средства,
используемые инженерами по эксплуатации компьютерной техники.
Прикладное программное обеспечение
Средства проектирования
1. Системы управления базами данных (СУБД) - специальные программные
продукты для создания и работы с базами данных. Базы данных (БД) - это
интегрированный и структурированный набор данных, относящихся к какой-либо
области или задаче. БД в том или ином виде - неотъемлемая часть большинства
практических задач, в первую очередь - информационно-поисковых систем.
Рассмотрим три модели баз данных:
- реляционная - отношения между данными построены по прин-ципу "один
к одному", когда одна запись может быть связана только с одной
записью. Форма представления данных в виде таблицы;
- иерархическая - отношения между данными построены по принципу "один
к многим", когда одна запись взаимосвязана со многими другими.
Форма представления данных в виде дерева;
- сетевая - принцип организации "многие ко многим", когда
одна и та же запись может входить в отношения со многими другими записями
в различных вариантах. Форма представления данных в виде графа.
2. Системы искусственного интеллекта - раздел информатики, занимающийся
вопросами имитации мышления человека с помощью компьютера. Проблемы
искусственного интеллекта:
- способы формального описания знания и хранения их в компьютере;
- строение моделей умозаключений человека в процессе решения им практических
и теоретических задач;
- возможность общения "человек - компьютер" на естественном
языке;
- возможность самоорганизации и самообучения систем искусственного
интеллекта.
Экспертные системы - это системы искусственного интеллекта,
созданные для решения задач на основе возможностей компьютера, знаний
и опыта квалифицированных специалистов; представляют собой программу
для компьютера, с помощью которой возможно получить приемлемое решение
в ситуации, когда формальных, абсолютно точных решений получить нельзя
(диагностика заболеваний, поиск полезных ископаемых, педагогика, психология,
политика).
3. Системы автоматического проектирования (САПР) - комплекс
технических и программных средств, позволяющих создавать всю необходимую
конструкторскую и технологическую документацию на отдельные изделия,
здания, сооружения.
4. Системы электронного документооборота, включающие в себя:
- системы управления документами, которые обеспечивают интеграцию
с приложениями, хранение документов, осуществляют поиск документов
по атрибутной или полнотекстовой индексации;
- системы массового ввода документов, которые позволяют осуществлять
ввод с клавиатуры и сканирование, включающее в себя чистку, подготовку
к распознаванию, выравнивание изображений и распознавание, которое
может быть оптическим или интеллектуальным;
- системы автоматизации деловых процессов, предназначенные для моделирования
деятельности каждого сотрудника, работающего с электронным документооборотом.
5. Информационное хранилище - это автоматизированная система,
которая собирает данные из существующих баз и внешних источников, формирует,
хранит и эксплуатирует информацию как единую.
6. Геоинформационная система - это информационная система, обеспечивающая
сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и расположение пространственно-координатных
данных.
Средства использования
1. Электронные таблицы представляют собой прямоугольный бланк
произвольной формы и размера, отображенный на экране ЭВМ. Причем каждая
ячейка этого бланка может хранить не только видимое или невидимое значение
величины, но и формулу или целую программу для ее расчета; активизация
программы в ячейках может происходить автоматически или по какому-либо
событию.
2. Графический редактор - комплекс программ, направленный на
обработку изображений компьютерной графики. Графика может быть различных
видов:
- коммерческая (диаграммы, графики), чаще всего встроена в электронные
таблицы;
- иллюстративная (оформление книг, журналов, создание фильмов);
- научная (трехмерное изображение объектов, визуализация научных опытов,
графики функций, решение систем уравнений, моделирование экспериментов);
- когнитивная, позволяющая образно представить различные формулы и
закономерности для доказательства сложных теорем, открывает новые
возможности для познания законов функционирования сознания.
3. Текстовый редактор - комплекс программ, предназначенный для
ввода с клавиатуры текста и дальнейшего редактирования (правка, копирование,
создание таблиц и списков, вставка рисунков, расположение их на странице,
проверка грамотности, автоматическая нумерация страниц, составление
оглавления, списка литературы, вывод на печать и другие возможности).
4. Электронная почта - специальный пакет программ для хранения
и пересылки сообщений между пользователями ЭВМ.
5. Электронный офис - интегрированный пакет программ, включающий
в себя текстовый редактор, электронные таблицы, системы управления базами
данных, средства коммуникации, язык программирования, графический редактор
и др.
6. Видеоконференция - сетевая технология, позволяющая участвовать
в дискуссии одновременно сразу нескольким пользователям и видеть на
мониторе своего компьютера взявшего слово участника.
7. Система групповой работы объединяет средства коллективной
работы прикладных приложений с электронной почтой, настольными и офисными
приложениями, управление электронным документооборотом, планирование,
управлением заданиями (моделирование деловых процессов), календарным
планированием.
8. Корпоративные информационные системы - это автоматизированные
системы управления крупными, территориально рассредоточенными предприятиями,
имеющими несколько уровней управления, построенные посредством новейших
информационных технологий.
Данный список не может быть полным и окончательным. К прикладным программным
средствам использования можно отнести игровые и обучающие программы,
различные видеотренажеры, программы цифровой обработки звука и т. д.
Вопросы
1. Какое устройство в компьютере предназначено для обработки информации?
2. Кем были разработаны принципы работы электронной вычислительной
машины?
3. Какой модели баз данных соответствует расположение данных в виде
дерева?
4. Назовите сферы применения геоинформационных систем.
5. Перечислите программные средства, для функционирования которых
необходимо подключение компьютера к вычислительной сети.
6. Кем могут быть использованы средства проектирования? А средства
использования?
Ключевые слова
материнская плата, системный блок,
оперативная память, процессор,
поколение ЭВМ, файл, папка, программное
обеспечение, операционная система, интерфейс,
языки программирования, СУБД,
электронная таблица, графический редактор,
текстовой редактор, принцип работы
ЭВМ.
|
