Учебный материал
Информатика - наука, которая изучает способы сбора, хранения, переработки и передачи информации посредством компьютерной техники.
Задачи, связанные с хранением, передачей и обработкой информации человеку приходилось решать во все времена: требовалось передавать знания из поколения в поколения, искать нужные книги в хранилищах, шифровать секретную переписку. К концу XIX века количество документов в библиотеках стало настолько велико, что появилась необходимость как то систематизировать накопленную информацию, для того чтобы было удобно ее хранить и искать нужные данные.
В конце XIX века зародилось новое научное направление, в котором изучалась документальная информация, то есть информациz в виде документов (книг, журналов, статей и т.п.). В английском языке оно получило название "information science" (информационная наука, наука об информации).
Применение компьютерной техники значительно увеличило возможности людей в области работы с информацией.
В 1978 году международный научный конгресс официально закрепил за понятием "информатика" области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные, коммерческие, административные и социально-политические аспекты компьютеризации — массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей.
Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает " информационная автоматика ", или " автоматическая работа с информацией ". В английском языке существует близкое по значению выражение " computer science " (наука о компьютерах).
Современная информатика, которая стала самостоятельной наукой в 1970 х годах, включает следующие научные направления:
· теоретическую информатику (теорию информации, теорию кодирования, математическую логику, теорию систем и др.);
· кибернетику (теорию управления в природе, технике и обществе);
· искусственный интеллект (распознавание образов, понимание речи, машинный перевод, логические выводы, алгоритмы самообучения);
· вычислительную технику (устройство компьютеров и компьютерных сетей);
· программирование (методы создания новых программ);
· прикладную информатику (персональные компьютеры, прикладные программы, информационные системы и т.д.).
Современная информатика базируется на компьютерной технике и немыслима без нее.
Инфоpматика — научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения. Её основные направления:
· pазpаботка вычислительных систем и пpогpаммного обеспечения;
· теоpия инфоpмации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации;
· методы искусственного интеллекта, позволяющие создавать программы для решения задач, требующих определённых интеллектуальных усилий при выполнении их человеком (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);
· системный анализ, заключающийся в анализе назначения проектируемой системы и в установлении требований, которым она должна отвечать;
· методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа;
· средства телекоммуникации, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество;
· разнообразные пpиложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.
Информатику обычно представляют состоящей из двух частей:
· технические средства;
· программные средства.
Технические средства – это аппаратура компьютеров. В английском языке они обозначаются словом Hardware, которое буквально переводится как "твёрдые изделия".
Программное обеспечение - это совокупность всех программ, используемых компьютерами, а также вся область деятельности по их созданию и применению. Программные средства обозначаются словом Software (буквально - "мягкие изделия"), которое подчёркивает равнозначность программного обеспечения и самой машины и вместе с тем подчёркивает способность программного обеспечения модифицироваться, приспосабливаться, развиваться.
В истории человеческого общества несколько раз происходили радикальные изменения в информационной области, которые можно назвать информационными революциями.
Первая информационная революция была связана с изобретением письменности. Изобретение письменности позволило накапливать и распространять знания. Цивилизации, освоившие письменность, развивались быстрее других. достигали более высокого культурного и экономического уровня. Примерами могут служить Древний Египет, страны Междуречья, Китай. Позднее переход к алфавитному способу письма сделал письменность более доступной и способствовал смещению центров цивилизации в Европу (Греция, Рим).
Вторая информационная революция (в середине XVI в.) была связана с изобретением книгопечатания. Стало возможным не только сохранять информацию, но и сделать ее массово-доступной. Все это ускорило развитие науки и техники, помогло промышленной революции. Книги перешагнули границы стран, что способствовало началу сознания общечеловеческой цивилизации.
Третья информационная революция (в конце XIX в.) была обусловлена прогрессом средств связи. Телеграф, телефон, радио позволили оперативно передавать информацию на любые расстояния. Эта революция совпала с периодом бурного развития естествознания.
Четвертая информационная революция (в 70-х гг. XX в.) связана с появлением микропроцессорной техники и, в частности, персональных компьютеров. Вскоре после этого возникли компьютерные телекоммуникации, радикально изменившие системы хранения и поиска информации.
Последняя, четвёртая информационная революция дала толчок человеческой цивилизации для перехода от индустриального общества к информационному. В настоящее время в мире накоплен огромный информационный потенциал, которым люди не могут пользоваться в полной мере в силу ограниченности своих возможностей. Это привело к необходимости внедрения новых технологий обработки и передачи информации и послужило началом перехода от индустриального общества к информационному. Этот процесс начался с середины XX в.
В информационном обществе главным ресурсом является информация, это общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, обработкой и передачей информации.
В качестве критериев развитости информационного общества можно перечислить следующие:
· наличие компьютеров,
· уровень развития компьютерных сетей,
· доля населения, занятого в информационной сфере, а также использующего информационные технологии в своей повседневной деятельности.
Информационное общество - общество, в котором большинство работающих занято производством, хранением, переработкой и реализацией информации, особенно высшей её формы — знаний.
Однако, следует отметить, что в настоящее время ни одно государство не находится в этой стадии. Ближе всех к информационному обществу подошли США, Япония, ряд стран Западной Европы.
Основные этапы развития вычислительной техники.
Более трех тысяч лет назад в Средиземноморье было распространено простейшее приспособление для счета: доска, разделенная на полосы, где перемещались камешки или кости. Такая счетная дощечка называлась абак и использовалась для ручного счета. В Древнем Риме абак назывался calculi или abaculi и изготавливался из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. Слово calculus означает «галька», «голыш». От этого слова произошло латинское слово calculatore (вычислять), а затем слово «калькуляция». Абак позволял лишь запоминать результат, а все арифметические действия должен был выполнять человек.
Первая механическая машина была построена немецким ученым Вильгельмом Шиккардом (предположительно в 1623 г.). Машина была реализована в единственном экземпляре и предназначалась для выполнения арифметических операций. Из-за недостаточной известности машины Шиккарда более 300 лет считалось, что первую суммирующую машину сконструировал Блез Паскаль.
Блез Паскаль (французский математик, физик, религиозный философ и писатель) в 1642 г. изобрел механическую счетную машину, выполнявшую сложение, а в 1674 г. Готфрид Лейбниц расширил возможности машины Паскаля, добавив операции умножения, деления и извлечения квадратного корня. Специально для своей машины Лейбниц применил систему счисления, использующую вместо привычных для человека десяти цифр две: 1 и 0. Двоичная система счислений широко используется в современных ЭВМ.
Ни одна из этих машин не была автоматической и требовала непрерывного вмешательства человека. В 1834 г. Чарлз Бэббидж первым разработал подробный проект автоматической вычислительной машины. Он так и не построил свою машину, так как в то время невозможно было достичь требуемой точности изготовления ее узлов.
Бэббидж выделял в своей машине следующие составные части:
· «склад» для хранения чисел (по современной терминологии — память);
· «мельницу» для производства арифметических действий (арифметическое устройство, процессор);
· устройство, управляющее последовательностью выполнения операций (устройство управления);
· устройства ввода и вывода данных.
В качестве источника энергии для приведения в действие механизмов машины Ч. Бэббидж предполагал использовать паровой двигатель. Бэббидж предложил управлять своей машиной с помощью перфорированных карт, содержащих коды команд, подобно тому как использовались перфокарты в ткацких станках Жаккара. На этих картах было представлено то, что сегодня мы назвали бы программой. Ч. Бэббидж довольно подробно рассматривал вопросы, связанные, как мы сейчас говорим, с программированием. В частности, им была разработана весьма важная для программирования идея «условной передачи управления». Идеи Бэббиджа заложили фундамент, на котором со временем были построены ЭВМ.
Первые программы для вычислительной машины Бэббиджа создавала Ада Лавлейс - дочь известного поэта Джорджа Байрона, в честь которой впоследствии был назван один из языков программирования. Выражаясь современным языком, Лавлейс составила программу вычисления чисел Бернулли. Ада Лавлейс разработала основные принципы программирования, которые остаются актуальными до настоящего момента времени. Ряд терминов, введенных Адой Лавлейс, используются и сейчас, например, «цикл», «рабочие ячейки».
Теоретические основы современных цифровых вычислительных машин заложил английский математик Джордж Буль (1815—1864). Он разработал алгебру логики, ввел в обиход логические операторы И, ИЛИ и НЕ.
В 1888 г. Германом Холлеритом была сконструирована первая электромеханическая машина для сортировки и подсчета перфокарт. Эта машина, названная табулятором, содержала реле, счетчики, сортировочный ящик. Изобретение Холлерита было использовано при подведении итогов переписи населения в США.
Успех вычислительных машин с перфокартами был феноменален. То, чем за десять лет до этого занимались 500 сотрудников в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 вычислительных машинах за 4 недели.
В 1896 г. Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulation Company. Спустя несколько лет это предприятие переименовали в известнейшую теперь фирму International Business Machine Corporation (IBM).
Немецкий инженер Конрад Цузе был первым, кто успешно осуществил идею создания автоматической электромеханической вычислительной машины на основе двоичной системы счисления. В 1936 г. он начал конструировать вычислительный аппарат, работающий в двоичной системе счисления, который впоследствии был назван Zuse 1 (Z1). В 1941 г. Цузе сумел построить действующую модель Zuse 3, которая состояла из 600 реле счетного устройства и 2000 реле устройства памяти.
В 1944 г. (по другим источникам, в 1943 г.) в Англии было разработано полностью автоматическое вычислительное устройство Colossus II. Основным его назначением была дешифровка перехваченных сообщений военного противника.
Еще одна полностью автоматическая вычислительная машина, изобретенная профессором Гарвардского университета Говардом Айкеном (Aiken Howard, 1900—1973) при участии группы инженеров фирмы IBM, была построена в 1944 г. Она была названа ASCC (другое название Mark 1), и была электромеханической (построена на реле), состоящей приблизительно из 750 тысяч компонентов. На умножение она тратила около 4 секунд. До знакомства с работами Цузе научная общественность считала машину ASCC первой электромеханической машиной.
В 1937 г. в США Дж. Атанасов начал работы по созданию электронной вычислительной машины. Им были созданы и запатентованы первые электронные схемы отдельных узлов ЭВМ. Совместно с К. Берри к 1942 г. была построена электронная машина ABC (Atanasoff-BerryComputer).
Электронная вычислительная машина, разработанная Эккертом и Маучли в США в 1946 г., была названа ENIAC. При создании этой машины Эккерт и Маучли заимствовали основные идеи у Дж. Атанасова. ENIAC была примерно в 1000 раз быстрее, чем ASCC. Она состояла из 18 тысяч электронных ламп, 1500 реле, имела вес более 30 тонн, потребляла мощность более 150 кВт.
Фотография позволяет наглядно оценить прогресс вычислительной техники. Несколько человек находятся внутри ENIAC. Современные ЭВМ уже можно разместить внутри человека.
Первоначально ENIAC программировалась путем соединения проводами соответствующих гнезд на коммутационной панели, что делало составление программы очень медленным и утомительным занятием. Американский математик и физик венгерского происхождения Джонфон Нейман (1903—1957) предложил хранить программу - последовательность команд управления ЭВМ - в памяти ЭВМ, что позволяло оперировать с программой так же, как с данными. Последующие ЭВМ строились с большим объемом памяти, с учетом того, что там будет храниться программа.
В докладе фон Неймана, посвященном описанию ЭВМ, выделено пять базовых элементов компьютера:
· арифметико-логическое устройство (АЛУ);
· устройство управления (УУ);
· запоминающее устройство (ЗУ);
· система ввода информации;
· система вывода информации.
Описанную структуру ЭВМ принято называть архитектурой фон Неймана.
Поколения ЭВМ.
1-е поколение ЭВМ (начало 50-х гг.). Элементная база — электронные лампы и реле. ЭВМ отличались большими габаритами, большим потреблением энергии, малым быстродействием, низкой надежностью, программированием в кодах.
Изобретение в 1948 г. транзисторов и запоминающих устройств на магнитных сердечниках оказало глубокое воздействие на вычислительную технику. Ненадежные вакуумные лампы, которые требовали большой мощности для нагревания катода, заменялись небольшими германиевыми (впоследствии кремниевыми) транзисторами. Компьютеры, построенные в середине 50-х годов ХХ в., стали называть машинами второго поколения.
2-е поколение ЭВМ (с конца 50-х гг.). Элементная база — полупроводниковые элементы. Улучшились по сравнению с ЭВМ предыдущего поколения все технические характеристики. Для программирования используются алгоритмические языки.
Революционный прорыв в миниатюризации и повышении надежности компьютеров произошел в 1958 г., когда американский инженер Джек Килби разработал первую интегральную микросхему. В середине 60-х годов появилось третье поколение ЭВМ, основу элементной базы которых составляли микросхемы малой и средней степени интеграции.
3-е поколение ЭВМ (начало 60-х гг.). Элементная база — интегральные схемы, многослойный печатный монтаж. Резкое снижение габаритов ЭВМ, повышение их надежности, увеличение производительности. Доступ с удаленных терминалов.
Другая революция в технологии изготовления ЭВМ произошла в 1971 г., когда американский инженер Маршиан Эдвард Хофф объединил основные элементы компьютера в один небольшой кремниевый чип (кристалл), который он назвал микропроцессором. Первый микропроцессор получил маркировку Intel 4004.
ЭВМ четвертого поколения строятся на интегральных микросхемах с большой степенью интеграции. На одном кристалле размещается целая микроЭВМ. Заметим, что переход от третьего поколения ЭВМ к четвертому не был революционным. Отличия коснулись не столько принципов построения ЭВМ, сколько плотности упаковки элементов в микросхемах.
Развитие ЭВМ идет по пути непрерывного повышения быстродействия, надежности, расширения функциональных возможностей, уменьшения габаритов и потребляемой мощности, упрощения правил работы на компьютере. Среди ЭВМ четвертого поколения появились персональные компьютеры (ПК или ПЭВМ), которые позволяют индивидуально работать каждому пользователю.
Первой ПЭВМ можно считать компьютер Altair-8800, созданный в 1974 г. Э. Робертсом. Для этого компьютера П. Аллен и Б. Гейтс в 1975 г. создали транслятор с популярного языка Basic. Впоследствии П. Аллен и Б. Гейтс создали известную компанию Microsoft.
В 1976 г. Стивен П. Джобс и Стефан Г. Возниак основали в гараже Пало-Альто (Калифорния) предприятие Apple Computer. После шести месяцев работы Возниаку удалось собрать действующий макет под названием Apple 1. В настоящее время компания с таким названием хорошо известна многим пользователям ЭВМ.
4-е поколение (с середины 70-х гг.). Элементная база - микропроцессоры, большие интегральные схемы. Улучшились технические характеристики. Массовый выпуск персональных компьютеров. Направления развития: мощные многопроцессорные вычислительные системы с высокой производительностью, создание дешевых микроЭВМ.
В настоящее время ведется разработка ЭВМ пятого поколения, характерными особенностями которых будут способность к самообучению и наличие речевого ввода и вывода информации.
5-е поколение (с середины 80-х гг.). Началась разработка интеллектуальных компьютеров, пока не увенчавшаяся успехом. Внедрение во все сферы компьютерных сетей и их объединение, использование распределенной обработки данных, повсеместное применение компьютерных информационных технологий.
Таким образом, вычислительная техника постоянно впитывала в себя самые последние достижения науки, техники и технологии (электронные лампы, транзисторы, микроэлектроника, лазеры, средства связи), благодаря чему ее развитие идет необычайно высокими темпами.
В следующем столетии, когда на смену электронным приборам придут квантовые, оптические или биоэлектронные приборы, то современные нам ЭВМ будут казаться будущим пользователям такими же монстрами, какими нам кажутся вычислительные машины 40-х годов ХХ в.