Контрольные вопросы
Дайте определение понятия информации.
Как классифицируется информация?
Свойства информации.
Что такое информатика
Что является предметом науки информатики, ее задачи?
Каково место информатики среди других фундаментальных наук?
Дать характеристику процессов сбора, передачи, обработки и накопления информации.
Формы представления информации.
Дать понятие системы счисления.
Какие вы наете системы счисления.
Двоичная система счисления
Кодирование информации.
Двоичная форма представления информации.
Охарактеризуйте кодирование числовой информации
Охарактеризуйте кодирование текстовой информации
Охарактеризуйте кодирование графической информации.
Охарактеризуйте кодирование звуковой информации.
В чем заключается вероятностный подход к определению количества информации.
Чем различаются естественные и формальные языки?
Какова может быть физическая природа знаков?
Приведите примеры кодирования и декодирования информации.
Почему человек использует десятичную систему счисления, а компьютер - двоичную?
Литература
а) Основная литература
Информатика. Базовый курс: учеб. пособие. / под ред. С.В.Симоновича. -2-е изд. - Спб.: Питер, 2004-2008.
Макарова Н. В., Волков В. Б. Информатика. СПб: Питер, 2011.
б) Дополнительная литература
Машникова О.В. Экономическая информатика: Учеб. пособие для вузов / В.П. Косарев, Л.В. Еремин, О.В. Машникова и др.; Под ред. В.П. Косарева, Л.В. Еремина.-М.: Финансы и статистика, 2002.-592 с.
Интернет-ресурсы по тематике компьютерной техники и информационных технологий.
Онлайн-тесты по информатике (URL: http://test.sibstrin.ru/index.php?mode=tests&id=45)
Лекция №2
Тема 2. Технические и программные средства реализации информационных процессов
Содержание:
История создания и развития вычислительной техники
Классификация ЭВМ и их характеристики.
Основные принципы построения ЭВМ. Принципы фон Неймана
Функционально-структурная организация ПК.
Классификация программного обеспечения ПК.Системное и прикладное программное обеспечение, основные классы прикладных программ.
2.1 История создания и развития средств вычислительной техники
Вычислительная или компьютерная техника является важнейшим компонентом процесса вычислений и обработки данных. Первыми приспособлениями для вычислений были обычные счетные палочки. Развиваясь, эти приспособления становились более сложными, например, такими как финикийские глиняные фигурки, предназначаемые для наглядного представления количества считаемых предметов. Для удобства они помещались в специальные контейнеры. Подобными приспособлениями пользовались торговцы и счетоводы того времени.
Постепенно из простейших приспособлений для счёта рождались всё более и более сложные устройства: счеты абак (рис. 4), логарифмическая линейка, механический арифмометр, электронный компьютер.
Человечество научилось пользоваться простейшими счётными приспособлениями тысячи лет назад. Наиболее востребованной оказалась необходимость определять количество предметов, используемых в меновой торговле. Одним из самых простых решений было использование весового эквивалента меняемого предмета, что не требовало точного пересчёта количества его составляющих. Для этих целей использовались простейшие балансирные весы, которые стали, таким образом, одним из первых устройств для количественного определения массы.
Принцип эквивалентности широко использовался и в другом, знакомом для многих, простейшем счётном устройстве Абак или Счёты. Количество подсчитываемых предметов соответствовало числу передвинутых костяшек этого инструмента.
Рисунок 4 - Юпана (абак инков) предположительно использовал
числа Фибоначчи
Сравнительно сложным приспособлением для счёта могли быть чётки, применяемые в практике многих религий. Верующий отсчитывал на зёрнах чёток число произнесённых молитв, а при проходе полного круга чёток передвигал на отдельном хвостике особые зёрна-счётчики, означающие число отсчитанных кругов.
С изобретением зубчатых колёс появились и гораздо более сложные устройства выполнения расчётов.
Рисунок 5 - Звёздочки и шестерёнки были сердцем механических
устройств для счёта
Антикитерский механизм, обнаруженный в начале XX века, который был найден на месте крушения античного судна, затонувшего примерно в 65 году до н.э., даже умел моделировать движение планет. Предположительно его использовали для календарных вычислений в религиозных целях, предсказания солнечных и лунных затмений, определения времени посева и сбора урожая и т.п. Вычисления выполнялись за счёт соединения более 30 бронзовых колёс и нескольких циферблатов; для вычисления лунных фаз использовалась дифференциальная передача, изобретение которой исследователи долгое время относили не ранее чем к XVI веку. Однако, с уходом античности навыки создания таких устройств были позабыты; потребовалось около полутора тысяч лет, чтобы люди вновь научились создавать похожие по сложности механизмы [3].
Рисунок 6 - «Считающие часы» Вильгельма Шиккарда
В 1623 году Вильгельм Шиккард придумал «Считающие часы» - первый механический калькулятор, умевший выполнять четыре арифметических действия. Свое название устройство получило благодаря тому, что как и в настоящих часах работа механизма была основана на использовании звёздочек и шестерёнок. Практическое использование это изобретение нашло в руках друга Шиккарда, философа и астронома Иоганна Кеплера.
Следом появились машины Блеза Паскаля («Паскалина», 1642 г.) и Готфрида Вильгельма Лейбница.
В1820 г. Чарльз Ксавьер Томас создал первый, серийно выпускаемый механический калькулятор - арифмометр Томаса, который мог складывать, вычитать, умножать и делить. Он был основан на работе Лейбница. Механические калькуляторы, выволнявшие вычисления с десятичными числами, использовались до 70-х годов прошлого века.
Лейбниц также описал двоичную систему счисления, на которой основана работа всех современных компьютеров. В то же время многие последующие разработки вплоть до 1940-х годов, включая машины Чарльза Бэббиджа и даже ЭНИАК (1945 года), были основаны на десятичной системе счисления, более сложной в реализации.
Джоном Непером было замечено, что умножение и деление чисел можно выполнять сложением и вычитанием, соответственно, логарифмов этих чисел. Действительные числа могут представляться интервалами длины на линейке. Этот факт лег в основу вычислений с помощью логарифмической линейки, что позволило выполнять умножение и деление намного быстрее. Логарифмические линейки использовались несколькими поколениями инженеров и других профессионалов, вплоть до появления карманных калькуляторов. При отправке на Луну космонавта американские инженеры выполняли все расчеты с точностью в 3—4 знака на логарифмических линейках.
Для составления первых логарифмических таблиц Неперу понадобилось выполнить множество операций умножения, и в то же время он разрабатывал палочки Непера [3].
В 1804 году Жозеф Мари Жаккар разработал ткацкий станок, в котором вышиваемый узор определялся перфокартами. Карты в станке можно было менять, при этом смена узора не требовала изменений в механике станка. Это было важной вехой в истории программирования.
В 1838 году Чарльз Бэббидж перешёл от разработки Разностной машины к проектированию более сложной аналитической машины, принципы программирования которой основаны на использовании перфокарт.
Рисунок 7 - Перфокарточная система музыкального автомата
В 1890 году бюро переписи населения в США использовало перфокарты и механизмы сортировки (табуляторы), разработанные Германом Холлеритом, для обработки данных переписи за 10 лет, переданный под мандат в соответствии с Конституцией. Компания Холлерита в конечном счёте стала ядром IBM. Эта корпорация развила технологию перфокарт в мощный инструмент для деловой обработки данных и выпустила обширную линию специализированного оборудования для их записи. К 1950 году технология IBM получила повсеместное распространение в промышленности и правительстве. Во многих компьютерах перфокарты использовались до (и после) конца 1970-х. Каждая строка программы набивалась на отдельную перфокарту, а вся программа представляла собой колоду перфокарт. К примеру, программисты и студенты инженерных и научных специальностей во вузов могли сдавать эти колоды перфокарт с программой на вычислительный центр, а затем ждать очереди для обработки, компиляции и выполнения программы. После распечатки полученных результатов, следовало устранить найденные ошибки и вновь отдавать программу на вычислительный центр, требуя другого цикла «редактирование – компиляция – исполнение».
Определяющая особенность «универсального компьютера» - это программируемость, что позволяет компьютеру эмулировать любую другую вычисляющую систему всего лишь заменой сохранённой последовательности инструкций.
В 1835 году Чарльз Бэббидж описал свою аналитическую машину. Это был проект компьютера общего назначения, с применением перфокарт в качестве носителя входных данных и программы, а также парового двигателя в качестве источника энергии. Одной из ключевых идей было использование шестерней для выполнения математических функций.
Рисунок 8 - Часть Разностной машины Бэббиджа, собранная после его смерти сыном из частей, найденных в лаборатории
Перфокарты должны были использоваться для машины, вычисляющей и печатающей логарифмические таблицы с большой точностью (то есть для специализированной машины). В дальнейшем эти идеи были развиты до машины общего назначения - аналитической машины Бэббиджа.
Хотя планы были озвучены, и проект, по всей видимости, был реален или, по крайней мере, проверяем, при создании машины возникли определённые трудности. Бэббидж был человеком, с которым трудно было работать, он спорил с каждым, кто не отдавал дань уважения его идеям. Все части машины должны были создаваться вручную. Небольшие ошибки в каждой детали, для машины, состоящей из тысяч деталей, могли вылиться в значительные отклонения, поэтому при создании деталей требовалась точность, необычная для того времени. В результате проект захлебнулся в разногласиях с исполнителем, создающим детали, и завершился с прекращением государственного финансирования.
Математик Ада Лавлейс, дочь лорда Байрона, перевела и дополнила комментариями труд «Sketch of the Analytical Engine». Считается, что она стала первым программистом.
В Лондонском музее науки можно найти второй вариант Разностной машины Чарльза Бэббиджа, которая была создана по его проекту лишь в 1991 г., и это доказывает, что теория Бэббиджа была верна. Для создания необходимых частей музей применил машины с компьютерным управлением, придерживаясь допусков, которые мог достичь слесарь того времени. Некоторые полагают, что технология того времени не позволяла создать детали с требуемой точностью, но это предположение оказалось неверным. Неудача Бэббиджа при конструировании машины в основном приписывается трудностям, не только политическим и финансовым, но и его желанию создать очень изощрённый и сложный компьютер.
Рисунок 9 - Арифмометр «Феликс» - самый распространённый в СССР. Выпускался в 1929—1978 г.г.
К 1900-у году ранние механические калькуляторы, кассовые аппараты и счётные машины были перепроектированы с использованием электрических двигателей с представлением положения переменной как позиции шестерни. С 1930-х такие компании как Friden, Marchant и Monro начали выпускать настольные механические калькуляторы, которые могли складывать, вычитать, умножать и делить. Словом «computer» (буквально — «вычислитель») называлась должность — это были люди, которые использовали калькуляторы для выполнения математических вычислений. В ходе Манхэттенского проекта, будущий Нобелевский лауреат Ричард Фейнман был управляющим целой команды «вычислителей», многие из которых были женщинами-математиками, обрабатывающими дифференциальные уравнения, которые решались для военных нужд. Даже знаменитый Станислав Мартин Улам уже после окончания войны был принужден к работе по переводу математических выражений в разрешимые приближения — для проекта водородной бомбы.
Рисунок 10 - ANITA Mark VIII, 1961 год
В 1948 году появился Curta — небольшой механический калькулятор, который можно было держать в одной руке. В 1950-х — 1960-х годах на западном рынке появилось несколько марок подобных устройств. Первым полностью электронным настольным калькулятором был британский ANITA Мк. VII, который использовал дисплей на газоразрядных цифровых индикаторах и 177 миниатюрных тиратронов. В июне 1963 года Friden представил EC-130 с четырьмя функциями. Он был полностью на транзисторах, имел 13-цифровое разрешение на 5-дюймовой электронно-лучевой трубке, и представлялся фирмой на рынке калькуляторов по цене 2200 $. В модель EC 132 были добавлены функция вычисления квадратного корня и обратные функции. В 1965 году Wang Laboratories произвёл LOCI-2, настольный калькулятор на транзисторах с 10 цифрами, который использовал дисплей на газоразрядных цифровых индикаторах и мог вычислять логарифмы.
В Советском Союзе в довоенное время самым известным и распространённым калькулятором был механический арифмометр «Феликс», выпускавшийся с 1929 по 1978 год на заводах в Курске (завод «Счетмаш»), Пензе и Москве. Электронно-механические вычислительные машины массово выпускались и широко применялись с середины 50-х годов, в 1959 был налажен выпуск и чисто электронных вычислительных машин(ВМ).