Лекция 1
Что такое компьютер
Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад (а может быть и значительно раньше) для облегчения вычислений стали использовать счеты.
История
В 1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, механически выполняющее сложение чисел, а в 1673 г, Готфрид Вильгельм Лейбниц сконструировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметические действия. Начиная с 19 века, арифмометры получили широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например расчеты баллистических таблиц для артиллеристских стрельб. Существовала и специальная профессия - счетчик - человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (такую последовательность инструкций впоследствии стали называть программой). Но многие расчеты производились очень медленно - даже десятки счетчиков должны были работать по несколько недель и месяцев. Причина проста - при таких расчетах выбор выполняемых действий и запись результатов производилась человеком, а скорость его работы весьма ограничена,
В первой половине 19 века английский математик Чарльз Беббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство - аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь использовать программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь "склад" для запоминания данных и промежуточных результатов (в современной терминологии - память). Бэббидж не смог довести до конца работу по созданию Аналитической машины - она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 году американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники 20 века - электромеханических реле - смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием "Марк - 1". Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 году построил аналогичную машину.
К тому времени потребность в автоматизации вычислений (в том числе для военных нужд - баллистики и криптографии) стала настолько велика, что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943 года группа специалистов под руководством Джона Мочли и Преспера Экерта в США начала конструировать подобную машину уже не на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако для задания ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упростить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памяти. В 1945 году к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку в нем фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств, то есть компьютеров.
Поколения
Мы часто используем термин первое поколение в отношении компьютеров на электронных лампах (1939-1958). Второе поколение связывается с началом перехода в 1958 г. на транзисторные компоненты. Третье поколение начинается в 1964 г. с появлением интегральных схем, а четвертое поколением связывается с использованием больших интегральных схем.
Терминология
Итак «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Это связано с тем, что первые компьютеры создавались как устройства для вычислений, грубо говоря, как усовершенствованные автоматические арифмометры. Принципиальное отличие компьютеров от арифмометров и других счетных устройств (счет, логарифмических линеек и т.д.) состояло в том, что арифмометры могли выполнять лишь отдельные вычислительные операции (сложение, вычитание, умножение, деление и др.), а компьютеры позволяют проводить без участия человека сложные последовательности вычислительных операций по заранее заданной программе. Кроме того, для хранения данных, промежуточных и итоговых результатов вычислений компьютеры содержат память.
Хотя компьютеры создавались для численных расчетов, скоро оказалось, что они могут обрабатывать и другие виды информации — ведь практически все они могут быть представлены в числовой форме. Для обработки различной информации на компьютере надо иметь средства для преобразования нужного вида информации в числовую форму и обратно. Сейчас с помощью компьютеров не только проводятся числовые расчеты, но и подготавливаются к печати книги, создаются рисунки, кинофильмы, музыка, осуществляется управление заводами и космическими кораблями и т.д. Компьютеры превратились в универсальные средства для обработки всех видов информации, используемых человеком.
Замечание. Часто вместо слова «компьютер» употребляется термин «ЭВМ», то есть электронно-вычислительная машина.
Представление информации в компьютере
Кодировки символов. Как говорилось выше, компьютер может обрабатывать только информацию, представленную в числовой форме. Вся другая информация (буквы, звуки, изображения, показания приборов и т.д.) для обработки на компьютере должна быть преобразована в числовую форму. Для обработки на компьютере текстовой информации обычно при вводе в компьютер каждая буква кодируется определенным числом, а при выводе на внешние устройства (экран или печать) для восприятия человеком по этим числам строятся соответствующие изображения букв. Соответствие между набором букв и числами называется кодировкой символов.
Двоичная система счисления. Как правило, все числа внутри компьютера представляются с помощью нулей и единиц (а не десяти цифр как это привычно для людей). Иными словами, компьютеры обычно работают в двоичной системе счисления, поскольку при этом их устройство получается значительно более простым.
Биты и байты. Единицей информации в компьютере является один 1 бит, т.е. двоичный разряд, который может принимать значение 0 или 1. Как правило, команды компьютеров работают не с отдельными битами, а с восемью битами сразу. Восемь последовательных битов составляют байт. В одном байте можно закодировать значение одного символа из 256 возможных комбинаций (256=28). Более крупными единицами информации являются килобайт (сокращенно обозначаемый Кбайт), равный 1024 байтам (1024=210), мегабайт (сокращенно обозначаемый Мбайт), равный 1024 Кбайтам и гигабайт (Гбайт), равный 1024 Мбайтам. Для ориентировки скажем, что если на странице текста помещается в среднем 2500 знаков, то 1 Мбайт — это примерно 400 страниц. а 1 Гбайт — 400 тыс. страниц.
Шестнадцатеричная система счисления. В компьютерной литературе, особенно рассчитанной на программистов, при описании обрабатываемых компьютером данных, содержимого оперативной памяти и т.д. часто используется шестнадцатеричная система счисления. Она удобна тем, что очень просто соотносится с двоичной системой, в которой работает компьютер: одна шестнадцатеричная цифра соответствует четырем двоичным разрядам. Для шестнадцатеричных цифр, больших девяти, используются обозначения: А — десять, В — одиннадцать. С — двенадцать, D — тринадцать, Е — четырнадцать, и F — пятнадцать. Для указания того, что число записано в шестнадцатеричной системе счисления, в конце его добавляют символ “h“ или “Н“ (h — первая буква слова hexadecimal, то есть шестнадцатеричный). Например, B9h=11*16+9=185; 4A9Fh =4*163+10*162+9*16+15=19103.