Лекции по "Информатике"

 

Бирки и веревки с узелками не могли удовлетворить возраставшие в связи с развитием торговли потребности в средствах вычисления. Развитию же письменного счета препятствовали два обстоятельства. Во-первых, не было подходящего материала для выполнения вычислений - глиняные и восковые таблички для этого не годились. Во-вторых, в тогдашних системах счисления письменно выполнить все необходимые операции было сложно. Этими обстоятельствами можно объяснить появление специального счетного прибора, известного в древности под именем абак.

 

Около 500 года нашей эры: изобретение абака.

Римский абак. Абаком называлась дощечка, покрытая слоем воска, на которой острой палочкой проводились линии и какие-нибудь фигуры, размещавшиеся в полученных колонках по позиционному принципу.

В Древнем Риме абак появился, вероятно, в V-VI вв н. э. и назывался calculi или abakuli. Изготовлялся он из бронзы, камня, слоновой кости и цветного стекла. До нашего времени дошел бронзовый римский абак, на котором камешки передвигались в вертикально прорезанных желобках. Внизу помещались камешки для счета до пяти, а в верхней части имелось отделение для камешка, соответствующего пятерке.

 

Суаньпань. Китайская разновидность абака (суаньпань) - появилась в VI веке н. э.; современный тип этого счетного прибора был создан позднее, по-видимому в XII столетии. Суаньпань представляет собой прямоугольную раму, в которой параллельно друг другу протянуты проволоки или веревки числом от девяти и более; перпендикулярно этому направлению суаньпань перегорожен на две неравные части. В большом отделении ("земля") на каждой проволоке нанизано по пять шариков, в меньшем ("небо") - по два. Проволоки соответствуют десятичным разрядам. Из рисунка видно, что суаньпань является практически точным аналогом инструмента "конторские счеты".

Соробан - японский абак, происходит от китайского суаньпаня, который был завезен в Японию в XV-XVI веках. Соробан проще своего предшественника, у него на "небе" на один шарик меньше, чем у суаньпаня.

Дощаный счет. Десятичный строй - довольно веское основание для того, чтобы признать временем возникновения этого прибора XVI век, когда десятичный принцип счисления был впервые применен в денежном деле в России. В это время какому-то наблюдательному человеку пришла в голову мысль заменить горизонтальные линии счета горизонтально натянутыми веревками, навесив на них, по существу, все те же "косточки-шарики".

Впрочем, в XVI веке термина "счеты" еще не существовало, и прибор именовался "дощаным счетом". Один из ранних образцов такого "счета" представлял собой два соединенных ящика, одинаково разделенных по высоте перегородками. В каждом ящике - два счетных поля с натянутыми веревками или проволочками. На верхних 10 веревках по 9 косточек (четок), на 11-й их - четыре, на остальных веревках - по одной.

Рассмотренные выше устройства (приборы) были предназначены  для удобства использования и  реализовывали в первую очередь  наглядность счета. Расширился диапазон чисел, с которыми можно было производить простые арифметические действия. Однако механические вычислительные устройства и математические методы, предназначенные для ускорения процесса счета и его частичной автоматизации, появились лишь в XVII веке.

Вычислительные устройства

1614-й. Изобретение логарифмов шотландцем Джоном Непером. Вначале были составлены таблицы логарифмов, а затем, после смерти Непера, была изобретена логарифмическая линейка.

1642-й. Француз Блэз Паскаль изобрел и построил суммирующую машину - прототип арифмометра. В этой машине каждому десятичному разряду соответствовало колесико с нанесенными на него делениями от 0 до 9. Соседние колесики были механически связаны так, что избыток над 9 колесико передавало следующему, поворачивая его на 1. Этот прибор, практически без изменений, просуществовал и был в использовании более трех столетий!

1814-й. Англичанин Чарльз Бэббидж изобрел разностную машину, предназначенную для расчета и печати больших математических таблиц. В 1822 году он же сконструировал аналитическую машину, производящую вычисления по набору инструкций, записанных на перфокартах.

1890-й. Американец Герман Холлерит построил статистический табулятор с целью ускорить обработку результатов переписи населения. Машина Холлерита имела большой успех, на ее основе было создано преуспевающее предприятие, которое в 1924 году превратилась в фирму IBM - крупнейшего производителя современной вычислительной техники.

1936-й. Англичанин Алан Тьюринг опубликовал основополагающую работу "О вычислимых числах", заложив теоретические основы теории алгоритмов.

Поколения ЭВМ

1943-й. Под руководством американца Говарда Айкена по заказу и при поддержке фирмы IBM создан Mark-1 - первый программно-управляемый компьютер. Он был построен на электромеханических реле, а программа обработки данных вводилась с перфоленты.

1945-й. Американец Джон фон Нейман в отчете "Предварительный доклад о машине Эниак" сформулировал принципы работы и компоненты современного программно-управляемого компьютера. Он определил четыре основные компоненты:

• Арифметико-Логическое Устройство (АЛУ);
• устройство управления;
• память;
• устройство ввода/вывода информации.

С тех пор архитектура подобных компьютеров (а подавляющее большинство  современных компьютеров построено  в соответствие с ней) называется фон-неймановской.

1946-й. Американцы Джон Преспер Экерт и Джон Уильям Мочли создали первый мощный электронно-цифровой компьютер "Эниак" (ENIAC - Electronic Numerical Integrator and Calculator), в 1000 раз более быстродействующий, чем Mark-1.

1956-й. FORTRAN - первый реализованный язык программирования высокого уровня. Создан в период с 1954 по 1957 годы группой программистов под руководством Джона Бэкуса (John Backus) в корпорации IBM (язык Планкалкюль, претендующий на пальму первенства, был изобретен еще в 1945 году, но не был реализован вплоть до 2000 года). Название FORTRAN является аббревиатурой от FORmula TRANslator, то есть переводчик формул. Язык Фортран широко используется до сих пор - в первую очередь для научных и инженерных вычислений.

1958-й. Американец Джек Килби сконструировал первую интегральную схему.

1960-й. Разработан алгоритмический язык АЛГОЛ-60.

1963-й. Профессоры Дартмутского колледжа Томас Курт (Thomas E. Kurtz) и Джон Кемени (John G. Kemeny) разработали алгоритмический язык Бейсик (BASIC - Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code - универсальный код символических инструкций для начинающих; Basic - основной, базовый) - семейство высокоуровневых языков программирования. Язык предназначался для обучения программированию и получил широкое распространение в виде различных диалектов, прежде всего как язык для домашних микрокомпьютеров.

1964-й. 7 апреля фирма IBM объявила о создании семейства компьютеров System-360. Это был важнейший шаг к унификации, совместимости и стандартизации компьютеров. В этом же году в серии статей о науке и технике будущего в английском журнале "New Scientist" впервые появилось словосочетание "персональный компьютер" (Personal Computer - PC).

1970-й. Швейцарец Никлаус Вирт разработал язык программирования Паскаль, получивший впоследствии широкое распространение в обучении и программировании.

1971-й. Под руководством инженера фирмы Intel Теда Хоффа создан первый микропроцессор - 4-разрядный 4004 или, как его назвали, "компьютер в одном кристалле". Он состоял из 2250 транзисторов и выполнял все функции центрального процессора универсального компьютера.

1974-й. На компьютерном рынке появился микрокомпьютер Altair на базе Intel 8080. Мирная жизнь рынка, где царили IBM и DEC, была нарушена маленькой компанией MITS из Альбукерке, предложившей машину для каждого. Хотя Altair с большой натяжкой можно было назвать компьютером: MITS предлагала изделие типа "сделай сам" - комплект, из которого терпеливый пользователь с помощью паяльника, в конце концов, мог получить довольно сложное в эксплуатации устройство. Однако, не в последнюю очередь благодаря широкой рекламе, желающих заполучить собственный компьютер за вполне доступную (400 долл.) цену оказалось предостаточно.

1975-й. Студенты Пол Аллен и Билл Гейтс реализовали интерпретатор языка Бейсик для персонального компьютера Altair. Они же основали компанию Microsoft, являющуюся сегодня крупнейшим производителем программного обеспечения персональных компьютеров.

Создан  микропроцессор MOP-technology 6502, он состоял из 4300 транзисторов и широко использовался в персональных компьютерах того времени.

Фирма IBM представила на рынок один из первых лазерных принтеров IBM 3800.

1977-й. В этом году в массовое производство были запущены три персональных компьютера: Apple-2 (Apple Computer) на базе процессора 6502, PET (Commodore) на базе процессора 8088, TRS-80 (Tendy Corporation) на базе процессора Z80.

1983-й. Фирма Apple Computer построила персональный компьютер Apple Lisa - первый компьютер, управляемый манипулятором "мышь".

В этом же году началось массовое использование гибких дисков (дискет) как стандартных носителей информации.

1985-й. Первая попытка Microsoft реализовать многозадачную операционную среду для персонального компьютера на основе графического интерфейса Windows 1.01.

1988-й. Основатель фирмы Apple Стив Джобс со своей новой фирмой Next Computer создали компьютер Next и операционную систему Next Step.

Фирмой Philips разработан стандарт записи компакт-дисков CD-I (CD-Interactive).

1989-й. Тим Бернерс-Ли (Tim Berners-Lee, Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire - CERN, Женева) предложил концепцию распределенной информационной системы с целью "объединения знаний человечества", которую он назвал "Всемирной паутиной" (World Wide Web - WWW). Для ее создания он объединил две существующие технологии - технологию IP-протоколов для передачи данных и технологию гипертекста (Hypertext Technology).

1991-й. Создан первый браузер (Browser) - компьютерная программа просмотра гипертекста - работавший в режиме командной строки. Его применение позволило уже в 1992 году успешно реализовать предложенный проект, который был направлен в конечном итоге на создание "бесшовного информационного пространства" (Seamless Informational Area), охватывающего всю планету.

1993-й. Фирма Intel представила микропроцессор Pentium.

Фирма Siemens представила свой нейрокомпьютер "Synapse1", мощность которого эквивалентна 8000 рабочих станций. Компьютер параллельно обрабатывает информацию от сети искусственных нейронов - идеальное устройство для решения задач по распознаванию изображений и речи.

1995-й. Главным событием в мире программного обеспечения персональных компьютеров стало создание универсальной многозадачной операционной системы Windows 95. Выпущенная в сентябре 1995 года система Windows 95 стала первой графической операционной системой для компьютеров IBM PC. Впоследствии эта операционная система получила свое развитие в Windows 98.

Производители аппаратно-программного обеспечения  изготавливают узлы и устройства так, чтобы они были совместимы с Windows 95(98). Теперь можно приобретать новые устройства и устанавливать их в компьютер, рассчитывая на то, что все прочие устройства и программы будут работать нормально. Фирма Microsoft в системе Windows 95 ввела новый стандарт самоустанавливающихся устройств (Plug & Play).

1996-й. С каждым новым поколением ЭВМ увеличивались быстродействие и надежность их работы при уменьшении стоимости и размеров, совершенствовались устройства ввода/вывода информации. В соответствии с трактовкой компьютера - как технической модели информационной функции человека - устройства ввода приближаются к естественному для человека восприятию информации (зрительному, звуковому, тактильному), и, следовательно, операция по ее вводу в компьютер становится все более удобной для человека.

В последней четверти ХХ века промышленные ЭВМ, а затем персональные компьютеры стали аппаратно-вычислительной основой создания многофункциональных управляющих и информационных систем. В таблице 2.4 приведены параметры электронно-вычислительных устройств разных поколений.

Таблица 2.4.
Поколение	Элементная база	Быстродействие	Программное обеспечение	Применение	Примеры
1-е (1946-1959)	Электронные лампы	10-20 тыс. операций/сек	Машинные  языки	Расчетные задачи	ЭНИАК (США), МЭСМ (СССР), УРАЛ (СССР)
2-е (1960-1969)	Полупроводники	100-500 тыс. операций/сек	Алгоритмические языки, диспетчерские  системы, пакетный режим	Инженерные, научные, экономические  задачи	IВМ 701 (США), БЭСМ-6, БЭСМ-4 (СССР), Минск-22 (СССР)
3-е (1970-1979)	Интегральные микросхемы	Порядка 1 млн операций/сек	Операционные системы, режим разделения времени	АСУ, САПР, научно-технические задачи	IBM 360 (США), ЕС 1030, 1060 (СССР)
4-е (1980 - наст. время)	СБИС, микропроцессоры	Десятки и сотни млн. операций/сек	Базы и банки данных	Управление, коммуникации, АРМ, обработка  текстов, графика	ПЭВМ, серверы

Современный компьютер принято  разделять на аппаратную часть ("железо" - Hardware) и программное обеспечение (ПО - Software). На рис. 2.7 показана упрощенная схема системной ("материнской") платы персонального компьютера. В физическом исполнении на плате имеются соответствующие разъемы (слоты) для размещения процессора, модулей оперативной памяти, подключения устройств ввода/вывода.

 
Рис. 2.7. 

Интерфейс между процессором, внутренними  и внешними устройствами осуществляется с помощью шин и совокупности устанавливаемых на плате специальных микросхем (Chipset). На плате размещается также специализированный блок (Basic Input/Output System -- BIOS), который предназначен для хранения параметров конфигурации персонального компьютера, аппаратных драйверов и программы POST, проверяющей при включении компьютера работоспособность его различных устройств.