Размещено на http://www.allbest.ru/

Основы информатики

Информация и информационные процессы

Понятие информации ее виды и свойства; общая характеристика информационных процессов

Лет 20-30 назад информацией являлись сведения, передаваемые между людьми. Источниками информации являются природные объекты планеты, звезды, люди, животные, растения, поля, леса и по мере развития науки и техники научные эксперименты, машины, аппараты, технологические процессы. Велик также перечень объектов, являющихся потребителями информации: люди, животные, растения, различного рода приборы и аппараты. Поэтому сегодня информацией называют совокупность сведений о всевозможных объектах, явлениях, процессах. Разнообразие источников и потребителей информации привело к существованию различных форм ее представления: символьной, текстовой и графической.

Символьная форма, основанная на использовании символов букв, цифр, знаков и т.д., является наиболее простой, но она практически применяется только для передачи несложных сигналов различных событиях.

Более сложной является текстовая форма представления информации. Здесь так же, как и в предыдущей форме, используются символы: буквы, цифры, математические знаки. Однако информация заложена не только в этих символах, но и в их сочетании, порядке следования.

Однако самой емкой и сложной является графическая форма представления информации. К этой форме относятся: чертежи, схемы, рисунки, имеющие большое значение в нашей жизни.

Ранее мы неоднократно употребляли термин "информация", никак его при этом не раскрывая. Понятие информация является одним из фундаментальных в современной науке вообще и базовым для изучаемой нами информатики. Информацию наряду с веществом и энергией рассматривают в качестве важнейшей сущности мира, в котором мы живем. Однако чрезвычайно сложно формально определить понятие "информация". В простейшем бытовом понимании с термином "информация" обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и т.п. Информация передается в виде сообщений, определяющих форму и представление передаваемой информации. Примерами сообщений являются музыкальное произведение; телепередача; команды регулировщика на перекрестке, текст, распечатанный на принтере, данные, полученные в результате работы составленной вами программы и т.д. При этом предполагается, что имеется "источник информации" и "получатель информации". Сообщение от источника к получателю передается посредством какой-нибудь среды, являющейся в таком случае "каналом связи".

Человеку свойственно субъективное восприятие информации через некоторый набор ее свойств: важность, достоверность, своевременность, доступность и т.д. Одно и тоже сообщение для различных пользователей может нести различную информацию. Использование терминов "больше информации" или "меньше информации" подразумевает возможность ее измерения. При субъективном восприятии измерение информации возможно лишь в виде установления некоторой порядковой шкалы для ее оценки, да и то субъективной. Такое становится невозможным при введении объективных характеристик, их которых важнейшей является количество.

Чтобы сообщение было передано от источника к получателю, необходима некоторая материальная субстанция - носитель информации. Сообщение, передаваемое с помощью носителя, назовем сигналом. В общем случае сигнал - это изменяющийся во времени физический процесс. Такой процесс может содержать различные характеристики. Та из характеристик, которая используется для представления сообщений, называется параметром сигнала. В случае, когда параметр сигнала принимает последовательное во времени конечное число значений, сигнал называется дискретным, а сообщение, передаваемое с помощью таких сигналов - дискретным сообщением. Информация, передаваемая источником, в этом случае называется дискретной. Если же источник вырабатывает непрерывное сообщение (соответственно параметр сигнала - непрерывная функция от времени), соответствующая информация называется непрерывной. Непрерывное сообщение может быть представлено непрерывной функцией, заданной на некотором отрезке. Непрерывное сообщение можно преобразовать в дискретное. Такая процедура называется дискретизацией. Для этого из бесконечного множества значений параметра сигнала выбирается их определенное число, которое может характеризовать остальные значения. Таким образом, любое сообщение может быть представлено как дискретное, иначе говоря, последовательностью знаков некоторого алфавита. Возможность дискретизации непрерывного сигнала с любой желаемой точностью принципиально важна с точки зрения информатики. Компьютер - цифровая машина, т.е. Внутреннее представление информации в нем дискретно. Дискретизация входной информации позволяет сделать ее пригодной для компьютерной обработки. Существуют и другие вычислительные машины - аналоговые ЭВМ. Они используются обычно для решения задач специального характера и широкой публике практически не известны. Эти ЭВМ не нуждаются в дискретизации входной информации, так как ее внутреннее представление у них непрерывно. В этом случае все наоборот - если входная информация дискретна, то ее "перед употреблением" необходимо преобразовать в непрерывную.

Существование множества определений информации обусловлено сложностью, специфичностью и многообразием подходов к толкованию сущности этого понятия. В качестве справки выделим три наиболее распространенные концепции информации, каждая из которых по-своему объясняет ее сущность.

Первая концепция (концепция К. Шеннона), отражая количественно-информационный подход, определяет информацию как меру неопределенности (энтропию) события. Количество информации в том или ином случае зависит от вероятности его получения: чем более вероятным является сообщение, тем меньше информации содержится в нем. Этот подход, хоть и не учитывает смысловую сторону информации, оказался весьма полезным в технике связи и вычислительной технике, послужил основой для измерения информации и оптимального кодирования сообщений. Кроме того, он представляется удобным для иллюстрации такого важного свойства информации, как новизна, неожиданность сообщений. При таком понимании информация - это снятая неопределенность, или результат выбора из набора возможных альтернатив.

Вторая концепция рассматривает информацию как свойство (атрибут) материи. Ее появление связано с развитием кибернетики и основано на утверждении, что информацию содержат любые сообщения, воспринимаемые человеком или приборами. Информация как свойство материи создает представление о ее природе и структуре, упорядоченности, разнообразии и т.д. Она не может существовать вне материи, а значит, она существовала и будет существовать вечно, ее можно накапливать хранить перерабатывать.

Третья концепция основана на логико-семантическом (изучение текста с точки зрения смысла) подходе, при котором информация трактуется как знание, причем не любое знание, а та его часть, которая используется для ориентировки, для активного действия, для управления и самоуправления. Иными словами, информация - это действующая, полезная, " работающая " часть знаний.

Социальная информация - многоуровневое знание. Она характеризует:

· Общественные процессы в целом - экономические, политические, социальные, демографические, культурно-духовные и т.д.;

· Конкретные процессы, происходящие в различных ячейках общества, на предприятиях, в кооперативах, семьях и т.д.;

· Интересы и стремления различных социальных групп - рабочего класса, молодежи, пенсионеров, женщин и др.

В самом общем смысле под социальной информацией понимают знания, сообщения, сведения о социальной форме движения материи и о всех других ее формах в той мере, в какой они используются обществом, вовлеченными в орбиту общественной жизни. Другими словами, информация есть содержание логического мышления, которое, воспринимаясь с помощью слышимого или видимого слова, может быть использована людьми в их деятельности.

Итак, рассмотренные подходы в определенной мере дополняют друг друга, освещают различные стороны сущности понятия информации и облегчают тем самым систематизацию ее основных свойств. Из множества определений информации наиболее целесообразным представляется следующее: информация - это сведения, снимающие неопределенность об окружающем мире, которые являются объектом хранения, преобразования, передачи и использования. Сведения - это знания, выраженные в сигналах, сообщениях, известиях, уведомлениях и т.д. Особенность информации в том, что, будучи материальным явлением, она не является ни материей, ни энергией. В кибернетическом смысле информация - это отражение одного объекта в другом, используемое для формирования управленческих воздействий. Использование информации в управлении и самоуправлении опирается на наличие связи между объектами системы, источниками информации и ее получателями. При этом сила и целенаправленность влияния информации на получателя зависит от степени соответствия характеристик информации - синтаксических, семантических, прагматических - возможностям и потребностям получателя. Структура сообщений, их смысл и практическая ценность всегда ориентированы на определенного получателя.

Все многообразие окружающей нас информации можно сгруппировать по различным признакам:

1 - по области возникновения информация, отражающая процессы, явления неодушевленной природы называется элементарной или механической, процессы животного и растительного мира - биологической, человеческого общества - социальной.

2 - по способу передачи и восприятия информацию, передаваемую видимыми образами и символами, называют визуальной, звуками - аудиальной, ощущениями - тактильной, запахами и вкусами - органолептической, информацию, выдаваемую и воспринимаемую средствами вычислительной техники, - машинной.

3 - информацию, создаваемую и используемую человеком, по общественному назначению можно разбить на три вида: личная, массовая и специальная. Личная информация предназначается для конкретного человека, массовая - предназначается для любого желающего ее пользоваться (общественно-политическая, научно-популярная и т.д.), специальная - предназначена для использования узким кругом лиц занимающихся решением сложных специальных задач в области науки, техники, экономики.

Переходя к рассмотрению свойств информации необходимо отметить, что информация выступает как свойство объектов и явлений (процессов) порождать многообразие состояний, которые посредством отражения передаются от одного объекта к другому и запечатляются в его структуре (возможно, в измененном виде).

Свойства информации можно рассматривать в трех аспектах:

- Техническом - это точность, надежность, скорость передачи сигналов и т.д.;

- Семантическом - это передача смысла текста с помощью кодов;

- Прагматическом - это насколько эффективно информация влияет на поведение объекта.

Целевая функция информации характеризуется способностью влиять на процессы управления, на поведение людей, соответствующее целям управления. В этом и состоит полезность или ценность информации. В определенных случаях ценность информации становится отрицательной, полезность сменяется вредностью, а сама информация становится дезинформацией. Ее источником служат субъективные факторы (мнения, взгляды, оценки), а также преднамеренные искажения информации с какой-либо целью.

Информация охватывает все сферы, все отрасли общественной жизни, прочно входит в жизнь каждого человека, воздействует на его образ мышления и поведение. Она обслуживает общение людей, социальных групп, классов, наций и государств, помогает людям овладеть научным мировоззрением, разбираться в многообразных явлениях и процессах общественной жизни, повышать уровень своей культуры и образованности, усваивать и соблюдать законы и нравственные принципы. Огромную, ничем незаменимую роль выполнят информация в управленческой деятельности. По существу, без информации не может быть и речи о любом виде управления, о целенаправленной деятельности взаимосвязанных объектов и систем. В настоящее время разнообразная по своему значению информация, зафиксированная на специальных носителях, стала национальным богатством нового типа - информационным ресурсом государства. Являясь предметом купли-продажи во все времена, информация имеет свои специфические особенности: при обмене информацией ее количество увеличивается. Общение людей, информирование друг друга приводит к их сближению, повышению интеллектуального потенциала. У информационных ресурсов есть еще уникальное свойство - они не убывают от интенсивного использования. Более того, в процессе применения они постоянно развиваются и совершенствуются, избавляясь от ошибок и уточняя свои параметры. В определении практической ценности информации нет каких-либо точных количественных параметров. Да и определить их не легко, поскольку ценность зависит от полезности информации для множества конкретных людей, ее получателей и пользователей. Ценность информации принято определять величиной тех потерь, которые эта информация предотвращает, или величиной затрат на добывание этой информации.

Информационные системы и их функционирование. Информационная деятельность человека

Под системой понимают любой объект, который одновременно рассматривается и как единое целое, и как объединенная в интересах достижения поставленных целей совокупность разнородных элементов. Системы значительно отличаются между собой как по составу, так и по главным целям.

В информатике понятие "система" широко распространено и имеет множество смысловых значений. Чаще всего оно используется применительно к набору технических средств и программ. Системой может называться аппаратная часть компьютера. Системой может также считаться множество программ для решения конкретных прикладных задач, дополненных процедурами ведения документации и управления расчетами.

Информационные системы обеспечивают сбор, хранение, обработку, поиск, выдачу информации, необходимой в процессе принятия решений задач из любой области. Они помогают анализировать проблемы и создавать новые продукты.

Информационная система - взаимосвязанная совокупность средств, методов и персонала, используемых для хранения, обработки и выдачи информации в интересах достижения поставленной цели.

Под организацией будем понимать сообщество людей, объединенных общими целями и использующих общие материальные и финансовые средства для производства материальных и информационных продуктов и услуг. Необходимо понимать разницу между компьютерами и информационными системами. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом для информационных систем. Информационная система немыслима без персонала, взаимодействующего с компьютерами и телекоммуникациями.

История развития информационных систем и цели их использования на разных периодах:

· Первые информационные системы появились в 50-х гг. В эти годы они были предназначены для обработки счетов и расчета зарплаты, а реализовывались на электромеханических бухгалтерских счетных машинах. Это приводило к некоторому сокращению затрат и времени на подготовку бумажных документов.

· 60-е гг. Знаменуются изменением отношения к информационным системам. Информация, полученная из них, стала применяться для периодической отчетности по многим параметрам. Для этого организациям требовалось компьютерное оборудование широкого назначения, способное обслуживать множество функций, а не только обрабатывать счета и считать зарплату, как было ранее.

· В 70-х - начале 80-х гг. Информационные системы начинают широко использоваться в качестве средства управленческого контроля, поддерживающего и ускоряющего процесс принятия решений.

· К концу 80-х гг. Концепция использования информационных систем вновь изменяется. Они становятся стратегическим источником информации и используются на всех уровнях организации любого профиля. Информационные системы этого периода, предоставляя вовремя нужную информацию, помогают организации достичь успеха в своей деятельности, создавать новые товары и услуги, находить новые рынки сбыта, обеспечивать себе достойных партнеров, организовывать выпуск продукции по низкой цене и многое другое.

Процессы, обеспечивающие работу информационной системы любого назначения, условно можно представить в виде схемы, состоящей из блоков:

* ввод информации из внешних или внутренних источников;

* обработка входной информации и представление ее в удобном виде;

* вывод информации для представления потребителям или передачи в другую систему;

* обратная связь - это информация, переработанная людьми данной организации для коррекции входной информации.

Информационная система определяется следующими свойствами:

q Любая информационная система может быть подвергнута анализу, построена и управляема на основе общих принципов построения систем;

q Информационная система является динамичной и развивающейся;

q При построении информационной системы необходимо использовать системный подход;

q Выходной продукцией информационной системы является информация, на основе которой принимаются решения;

q Информационную систему следует воспринимать как человеко-компьютерную систему обработки информации.

В настоящее время сложилось мнение об информационной системе как о системе, реализованной с помощью компьютерной техники. Хотя в общем случае информационную систему можно понимать и в некомпьютерном варианте.

Технология работы в компьютерной информационной системе доступна для применения специалистом некомпьютерной области и может быть успешно использована для ускорения процессов профессиональной деятельности и управления ими.

В процессе развития автоматизированных информационно-поисковых систем сформировались три вида информационного обслуживания - документальное, фактографическое и концептографическое. Каждому из этих видов соответствует своя информационная система, представляющая собой подсистему общей информационной системы общества.

Документальная система, в течение уже многих веков обеспечивала информационное обслуживание общества в целом и различных его институтов, в том числе науки и техники. Сущность документального обслуживания заключается в том, что информационные потребности членов общества удовлетворяются опосредованно, путем предоставления им первичных документов, необходимые сведения из которых потребители извлекают сами. Документальное обслуживание осуществляется в два этапа: 1) (библиографический) - сначала потребителю предоставляется некоторая совокупность релевантных (релевантность - смысловое соответствие содержания документа информационному запросу {смысловое соответствие между двумя текстами}) его запросу вторичных документов; 2) (библиотечное обслуживание) - затем, после отбора потребителем из этой совокупности определенного числа уже пертинентных (пертинентность - соответствие содержания документа информационной потребности конкретного специалиста) документов, ему предоставляют сами документы.

Фактографическое предполагает удовлетворение информационных потребностей непосредственно, т.е. Путем представления потребителям самих сведений. Эти сведения, также релевантные запросам потребителей, предварительно извлекаются информационными работниками из первичных документов и после определенной их обработки представляются потребителям.

При концептографическом обслуживании все это (документы и сведения) подвергаются интерпретации, оценке, обобщению со стороны информационного работника. В результате такой интерпретации формулируется так называемая ситуативная информация, содержащая в себе оценку рассматриваемых сведений, тенденций и перспективы развития отдельных научных и технических направлений, рекомендаций и пр. По этой причине под концептографическим обслуживанием можно также понимать формулирование и доведения до потребителей ситуативной информации, не содержащейся в явном виде в анализируемых источниках, а полученной в результате информационно-логического и концептографического анализа некоторой совокупности сообщений. Другими словами, в случае концептографического обслуживания потребителю представляются не только сведения о документе или сами сведения из документа, но и некоторая дополнительная информация, привнесенная информационным работником в процессе их интерпретации.

Представление информации в ЭВМ. Кодирование информации

Носителем информации является сообщение. Сообщение это форма представления информации. Примерами сообщений являются: текст телеграммы, показания прибора, команды управления. Одним и тем же сообщением можно передавать разную информацию и наоборот одна и та же информация может быть передана различными сообщениями.

Связь между сообщением n и информацией i можно представить как некое отображение , являющееся результатом договоренности между отправителем и получателем информации.

Сообщения передаются на определенном языке, понятном приемнику и передатчику. Это русский язык, жаргоны, язык глухонемых, печать для слепых, язык символов, знаков.

Запоминание и передача сообщений привела к возникновению письменности. Сообщения в письменной форме записываются знаками, выбираемыми из определенного алфавита. Сам алфавит и правила формирования из него сообщений (предложений) должны быть известны приемнику и передатчику (синтаксис). Семантика (изучает языки описания информации) может быть не известна, значит, сообщение будет передано третьему лицу.

Анализируя информацию, мы сталкиваемся с необходимостью оценки качества и определения количества полученной информации. Определить качество информации сложно, а часто и вообще невозможно.

Для определения количества информации нужно найти способ представить любую ее форму в едином виде, иначе говоря, надо суметь символьную, текстовую и графическую информацию преобразовать так, чтобы она получила единый стандартный вид. Таким видом стала так называемая двоичная форма представления информации. Она заключается записи любой информации в виде последовательности только двух символов.

Эти символы могут на бумаге обозначаться любым образом. Однако ради простоты записи взяты цифры 0, 1. В электронном аппарате, хранящем либо обрабатывающем информацию, рассматриваемые символы могут также обозначаться по-разному. Например, один из них наличием в рассматриваемой точке электрического тока, второй отсутствием в этой точке электрического тока.

Любой из ответов "да" или "нет" несет самую малую порцию информации (меньше быть не может). Эта порция определяет единицу измерения информации, называемую битом. Благодаря введению понятия единицы информации появилась возможность определения размера любой (графической, текстовой и символьной) информации числом битов.

Условимся каждый положительный ответ ("да") представлять цифрой "1", а отрицательный ("нет") цифрой "0". Тогда запись всех ответов образует многозначную последовательность цифр, состоящую из нулей и единицы, например 0100. Рассмотренный процесс получения двоичной информации об объектах называют кодированием информации.

Код правило, описывающее отображение одного набора знаков в другой.

Кодирование информации перечислением всех возможных событий очень трудоемко. Поэтому на практике кодирование осуществляется более простым способом. Он основан на том, что один разряд последовательности двоичных цифр имеет только два значения: 0,1. Двухразрядная последовательность имеет больше различных значений 00, 01, 10, 11, чем одноразрядная. Трехразрядная последовательность имеет также вдвое больше значений 000, 001, 010, 011, 100, 110, 101, 111, чем двухразрядная, и т. Д.

Для представления графической информации в двоичной форме используется так называемый поточечный способ. Поступают таким образом. На первом этапе вертикальными и горизонтальными линиями делят рассматриваемое изображение, например, на квадратики или пиксели ("точки"). Чем больше при этом получилось квадратиков, тем точнее будет передана информация о рассматриваемой картине. После этого необходимо записать в двоичной форме информацию о каждом из квадратиков. Как известно из физики, любой цвет может быть представлен в виде суммы различной яркости зеленого, синего и красного цветов. Любой цвет характеризуется тем, сколько в нем долей красного, зеленого и синего цветов. Поэтому информация о каждой клетке должна содержать следующие сведения: номер клетки, яркость ее зеленого цвета, яркость ее синего цвета, яркость ее красного цвета.

Итак, любое графическое изображение на экране можно закодировать с помощью чисел, сообщив, сколько в каждом пикселе долей красного, сколько долей зеленого и сколько долей синего.

Системы счисления

Известно много способов представления чисел. В каждом случае число изображается группой символов (словом) некоторого алфавита. Будем называть такие символы цифрами, символические изображения чисел кодами, а правила получения кодов системами счисления (кодирования).

Определение 1. Система счисления это совокупность правил для обозначения и наименования чисел.

Системы счисления делятся на следующие виды:

1) непозиционная система счисления;

2) позиционная система счисления.

Простейшая и самая древняя так называемая унарная система счисления. В ней для записи любых чисел используется всего один символ палочка, узелок, зарубка, камушек. Длина записи числа при таком кодировании прямо связана с его величиной, что роднит этот способ с геометрическим представлением чисел в виде отрезков. Сами того, не осознавая, этим кодом пользуются малыши, показывая на пальцах свой возраст. Именно унарная система счисления до сих пор вводит детей в мир счета.

Определение 2. Непозиционной называется такая система счисления, в которой количественный эквивалент каждой цифры не зависит от ее положения в коде чисел.

Непозиционные системы счисления возникли раньше позиционных. Для записи промежуточных чисел используется правило: меньшие знаки, поставленные справа от большего, прибавляются к его значению, а меньший знак, поставленный слева от большего, вычитается из него. Непозиционные системы счисления имеют ряд недостатков:

1. Для записи больших чисел приходится вводить новые цифры. И всегда есть числа, которые трудно изобразить даже вновь введенными цифрами.

2. Невозможно записывать дробные и отрицательные числа.

3. Сложно выполнять арифметические операции.

Определение 3. Системой счисления называется позиционной, если количественный эквивалент (значение) цифры зависит от ее места (позиции) в коде числа.

В привычной нам системе счисления для записи чисел используется десять различных знаков (цифры 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 и 9). Поэтому ее называют десятичной. Имеет место не только сама цифра, но и ее позиция. Именно поэтому такую систему счисления называют позиционной. Потребовалось много тысячелетий, чтобы люди научились называть и записывать числа так, как это делаем мы с вами. Начало этому положено в древнем Египте и Вавилоне и было в основном завершено индийскими математиками в V-VII веках н. Э. Арабы, познакомившись с этой нумерацией первыми, по достоинству ее оценили. Получив название арабской, эта система в XII веке нашей эры распространилась по всей Европе и, будучи проще и удобнее остальных систем счисления, быстро их вытеснила. Арифметические действия над десятичными числами производятся с помощью простых операций. Изучаемые в раннем возрасте, эти правила усваиваются так прочно, что мы оперируем ими подсознательно. Кроме десятичной цивилизации известны многие другие позиционные системы счисления

Основные достоинства любой позиционной системы счисления простота выполнения арифметических операций и ограниченное количество символов, необходимых для записи любого числа. Позиционная система записи чисел удобна и для механического представления чисел. Некоторый физический носитель состоит из некоторого числа n однородных элементов, каждый из которых может находиться в одном из десяти состояний. Любая такая система пригодна для изображения или записи различных чисел.

Определение 4. Основанием (базисом) позиционной системы счисления называется количество знаков или символов, используемых для изображения числа в данной системе счисления.

Основание в любой системе записывается как 10, но в разных системах имеет разное количественное значение. Оно показывает, во сколько раз изменяется количественное значение цифры при перемещении ее на соседнюю позицию.

Позиционных систем очень много, так как за основание системы счисления можно принять любое число не меньше двух. Наименование системы счисления соответствует ее основанию (десятичная, двоичная, пятеричная и т. Д.) В системе счисления с основанием q единицами разрядов служат последовательные степени числа q, иначе говоря, q единиц какого-либо разряда образуют единицу следующего разряда. Для записи чисел в q-ичной системе счисления требуется q различных знаков, изображающих 0, 1, 2, ..., q-1. В позиционной системе счисления любое вещественное число может быть представлено в следующем виде:

) (1)

Или

(2)

здесь само число, q основание системы счисления, цифры данной системы счисления, n число разрядов целой части числа, m число разрядов дробной части числа.

Определение 5. Запись числа по формуле (1) называется развернутой формой записи.

Определение 6. Свернутой формой записи числа называется запись в виде: .

Иначе свернутую форму записи называют естественной, или цифровой.

Наряду с широко известными системами счисления, существуют смешанные системы счисления. Из всех позиционных систем счисления особенно проста и поэтому интересна двоичная система счисления. В ней для записи используются всего две цифры: 0 и 1. Основание q=2. Для двоичной системы счисления формула (1) примет вид:

.

В информатике имеют большое распространение также восьмеричная и шестнадцатеричная системы счисления: использование этих систем объясняется простым переводом чисел (8=2^3, 16=2^4), что важно при выполнении записи программы, вводе данных, которые будут короче в восьмеричной или шестнадцатеричной по сравнению с двоичной системой.

Технические и программные средства реализации информационных процессов.

Общие сведения об ЭВМ. Этапы развития вычислительной техники

С древнейших времен человек конструирует себе в помощь различные приспособления для облегчения вычислений. В истории развития ВТ можно выделить 4 основных периода:

· Домеханический (до середины 17 в) - в 5 веке греки и египтяне использовали абак - устройство, похожее на русские счеты, а китайцы - китайские счеты суан-па.

· Механический (17-19 в) - в 1642 г. Известный математик, физик, философ Блез паскаль изобрел и изготовил механическое устройство-вычислитель, позволяющее складывать числа; в 1673 г. Немецкий математик Лейбниц изобрел арифметическую машину, выполняющую все 4 действия; в 1821 г. Конструктор Чарльз Томас усовершенствовал и наладил серийный выпуск устройства, изобретенного Лейбницем, и назвал его арифмометром (он перемножал 2 восьмизначных числа за 8 секунд); в 1823 г. Английский математик Чарльз Бэббидж изобрел первую программируемую вычислительную машину, содержащую все основные компоненты современных машин. Эту машину назвали аналитической машиной. Но проект опережал технические возможности своего времени и не был реализован. Однако первые программы для этой машины были созданы. Их составила первая женщина-программист дочь Джона Байрона герцогиня ада Лавлейс (в ее честь назван язык ада). Лишь в 40-х годах 20 века удалось создать такую машину на основе электромеханических реле.

· Электромеханический (19-середина 20 в) - в конце 30-х годов 20 века американцы Джон Атанасов и к. Берри построили ЭВМ, включавшую в себя электронную память и электронное устройство сложения и вычитания, а также ряд механических компонент.

· Электронный (середина 20 в - наши дни) - в 1946 г. В США была создана первая полностью электронная вычислительная машина "эниак", разработанная Джоном Фон Нейманом; в 1949 г. Подобная машина появилась в Англии под руководством Уилкса (Кембридж) и называлась edsac; в 1950 г. Была создана в Киеве МЭСМ (малая электронная счетная машина), а в 1952 г. В Москве - БЭСМ (быстродействующая электронная счетная машина); в 1969 г. Американская фирма ibm представила публике первую персональную ЭВМ.

Структура персонального компьютера, его функциональные характеристики. Принцип программного управления

Рассмотрим техническое устройство ПК. Под архитектурой ЭВМ понимают описание устройства и принципов работы компьютера, достаточное для пользователя и программиста. Архитектура не включает в себя конструктивные подробности устройства машины, электронные схемы.

Компьютер - это программно-управляемое автоматическое устройство для выполнения любых видов работы с информацией. В состав компьютера входят: процессор, память, устройства ввода, устройства вывода.

У компьютера имеется внутренняя и внешняя память. Внутренняя - оперативная память. Внешняя - долговременная память - используется для длительного хранения информации.

Работа компьютера управляется программой, которая во время своего выполнения находится во внутренней памяти.

Основной деталью персонального компьютера является микропроцессор. Это миниатюрная электронная схема, созданная путем сложной технологии, выполняющая функцию процессора ЭВМ. Под архитектурой процессора понимается его программная модель, то есть программно-видимые свойства.

Программная модель процессора - это функциональная модель, используемая программистом при разработке программ в кодах ЭВМ или на языке ассемблера. В такой модели игнорируются многие аппаратные особенности в работе процессора.

Под микро архитектурой понимается аппаратная реализация этой программной модели. Для одной и той же архитектуры разными фирмами и в разных поколениях применяются существенно различающиеся микро архитектурные реализации, при этом, естественно, стремятся к максимальному повышению производительности (скорости исполнения программ).

В состав микропроцессора (мп) входят арифметико-логическое устройство (алу); устройство управления (уу) и группа регистров.

Арифметико-логическое устройство (алу) - часть микропроцессора, которая осуществляет арифметические и логические операции.

Алу обеспечивает выполнение основных операций по обработке информации. Основу алу составляет сумматор с последовательно-параллельным переносом.

Сумматор - электрическая схема, используемая для сложения двоичных чисел. Сложение, вычитание, умножение и деление - элементарные операции, выполняемые алу ЭВМ. Полный набор таких операций называют системой команд, а схемы их реализации составляют основу алу. Помимо арифметического устройства, алу включает и логическое устройство, предназначенное для операций, при осуществлении которых отсутствует перенос из разряда в разряд. Иногда эти операции называют "логическое и" "и логическое или".

Устройство управления (уу) - формирует и подает во все блоки процессора в нужные моменты времени определенные сигналы управления, обусловленные спецификой выполняемой операции и результатами предыдущих операций; формирует адреса ячеек памяти, используемых выполняемой операцией, и передает эти адреса в соответствующие блоки ЭВМ.

Устройство управления содержит регистр команд, дешифратор команд и управляющее устройство, в состав которого входит управляющая память. Управляющая память содержит микропрограммы всех команд для данного МП.

Персональный ПК представляет собой комплект устройств. Главным в этом комплекте является системный блок. В нем находятся мозг машины: центральный процессор и внутренняя память. Там же помещаются: блок электропитания, дисководы, контроллеры внешних устройств. Основным в системном блоке является материнская плата - связующее звено, связующий центр всех остальных узлов компьютера. На ней находятся две основные микросхемы, называемые чип сетом, определяющим тип используемого процессора, разъемы для установки центрального процессора, плата расширения и все контроллеры, отвечающие за ввод, вывод и связь компонентов системы. Системный блок обычно снабжен внутренним вентилятором для охлаждения.

Весь системный блок помещен в металлический корпус, на поверхности которого имеются: клавиша включения электропитания, щели для установки дискет в дисковые устройства, разъемы для подключения внешних устройств.

Кроме системного блока в обязательный, минимальный комплект ПК входят клавиатура, мышь и монитор. Дополнительно к этому минимальному комплекту могут быть подключены: принтер, джойстик, модем, сканер.

Все устройства ПК, кроме процессора и внутренней памяти, называются внешними устройствами. Каждое внешнее устройство взаимодействует с процессором ПК через специальный блок, который называется контроллером. Существует контроллер дисковода, контроллер монитора, контроллер принтера. Задача контроллера - преобразование информации, поступающей от процессора, в соответствующие сигналы, управляющие работой устройства. Интересен принцип, по которому организована связь между процессором, оперативной памятью и внешними устройствами (принцип шинной организации). Он похож на принцип телефонной связи, и представляет собой так называемую магистраль, или шину. Так же как и абонент телефонной сети имеет свой номер, каждое из подключаемых устройств аналогично получает номер, выполняющий роль адреса данного устройства. программный информационный компьютер

Главными характеристиками персонального компьютера является тактовая частота и разрядность процессора, объем внутренней памяти. Режим работы процессора задается микросхемой, которая называется генератором тактовой частоты. На выполнение процессором каждой операции отводится определенное количество тактов. Тактовая частота измеряется в мегагерцах (в самых современных ПК в гигагерцах). Частота в 1 мегагерц соответствует миллиону тактов в секунду. Разрядностью процессора называют максимальную длину двоичного кода, который может обрабатываться и передаваться процессором целиком. Разрядность связана с размером специальных ячеек памяти, которые находятся в самом процессоре. Они называются регистрами.

Одной из основных причин успеха ibm pc является так называемый принцип открытой архитектуры, примененный к конструкции этих машин. Он предусматривает возможность дополнения имеющихся аппаратных средств новыми компонентами без замены старых. Можно заменять старые компоненты старыми без замены всего ПК, можно собирать ПК по отдельным частям. Основной принцип работы ЭВМ был предложен Джоном фон Нейманом и получил название принципа программного управления: принцип действия ЭВМ, согласно которому переработка машиной исходных данных в конечный результат производится в соответствии с заранее составленной и введенной в память машины программой.

Основные виды устройств для хранения информации.

Внутренняя память.

Данные и программы в памяти компьютера имеют вид двоичного кода. Один символ из двух символьного алфавита несет 1 бит информации. Ячейка памяти, хранящая один двоичный знак, называется бит. Бит - наименьшая частица памяти ПК. Следовательно, у слова бит есть два значения: единица измерения количества информации и частица памяти компьютера. Битовая структура определяет первое свойство внутренней памяти ПК - дискретность. Второе свойство внутренней памяти ПК - адресуемость: восемь расположенных подряд битов памяти образуют байт. Следовательно, в одном байте памяти хранится 1 байт информации. Во внутренней памяти ПК все байты пронумерованы. Нумерация начинается с нуля. Порядковый номер байта называют его адресом. Принцип адресуемости означает, что занесение информации в память, а также извлечение ее из памяти, производится по адресам. Именно так, по адресам, обращается к внутренней памяти процессор.

Внешняя память.

Устройства внешней памяти - это, прежде всего, устройства для хранения информации:

1. Накопитель на магнитной ленте (нмл) - на дорожки ленты записывается двоичный код (намагниченный участок - единица, не намагниченный - нуль). При чтении с ленты эта запись превращается в нули и единицы в битах внутренней памяти.

2. Накопители на магнитных дисках (нмд). К магнитной поверхности диска подводится записывающая головка, которая может перемещаться по радиусу. Во время работы нмд диск вращается. В каждом фиксированном положении головка взаимодействует с круговой дорожкой. На эти концентрические дорожки и производится запись двоичной информации. В ПК применяются два вида магнитных дисков: жесткий несъемный диск (винчестер) и сменные магнитные диски (дискеты). Жесткий диск предназначен для постоянного хранения той информации, которая более или менее часто используется в работе: программ операционной системы, компиляторов с языков программирования, сервисных программ, прикладных программ пользователя. Винчестер значительно превосходит гибкие диски по скорости доступа, емкости и надежности. Емкость жестких дисков измеряется в байтах. В настоящее время емкость жестких дисков составляет около 100-180 гб. Наибольшее распространение получили диски в 20-30 гб. Дискеты используются для обмена программами и данными между ПК, для хранения архивной информации, не используемой в работе, для хранения запасных копий программ и данных. В настоящее время используются дискеты в 3 дюйма и емкостью 1,44 мб.

3. Оптические или лазерные диски. На них используется не магнитный, а оптико-механический способ записи и чтения информации. На оптических дисках достигается очень высокая плотность размещения информации. Однако с лазерного диска на ПК нельзя стереть или записать новую информацию. Этим объясняется название данного вида носителей: cd-rom (compact disk - read only memory).

4. Магнитооптические диски, совмещающие оптический и магнитный механизмы записи информации. Как и на cd-rom, на них достигается высокая плотность размещения информации, но использоваться они могут как для чтения, так и для записи.

Информационная емкость внешних носителей также измеряется в байтах, килобайтах. Информация на внешних носителях имеет файловую организацию. Файл - это информация, хранящаяся на внешнем носителе и объединенная общим именем.

Основные внешние устройства компьютера

Внешние устройства (ву) - это важнейшая составная часть любого вычислительного комплекса. Достаточно сказать, что по стоимости ву иногда составляют 50 - 80% всего ПК. От состава и характеристик ву во многом зависят возможность и эффективность применения ПК в системах управления и в народном хозяйстве в целом. Ву ПК обеспечивают взаимодействие машины с окружающей средой: пользователями, объектами управления и другими ЭВМ. Ву весьма разнообразны, и могут быть классифицированы по ряду признаков. Так, по назначению можно выделить следующие виды ву:

· Внешние запоминающие устройства (взу) или внешняя память ПК;

· Диалоговые средства пользователя;

· Устройства ввода информации;

· Устройства вывода информации;

· Средства связи и телекоммуникации;

· Средства мультимедиа;

· Дополнительные схемы.

Диалоговые средства пользователя включают в свой состав видеомониторы (дисплеи), реже пультовые пишущие машинки (принтеры с клавиатурой) и устройства речевого ввода-вывода информации. Видеомонитор (дисплей) - устройство для отображения вводимой и выводимой из ПК информации. Устройства речевого ввода - это различные микрофонные акустические системы со сложным программным обеспечением, позволяющим распознавать произносимые человеком буквы и слова, идентифицировать их и закодировать. Устройства речевого вывода - это различные синтезаторы звука, выполняющие преобразование цифровых кодов в буквы и слова, воспроизводимые через громкоговорители (динамики) или звуковые колонки, подсоединенные к компьютеру.

К устройствам ввода информации относятся:

Клавиатура - устройство для ручного ввода числовой, текстовой и управляющей информации в ПК;

Графические планшеты (диджитайзеры) - для ручного вода графической информации, изображений путем перемещения по планшету специального указателя (пера); при перемещении пера автоматически выполняются считывание координат его местоположения и ввод этих координат в ПК;

Сканеры (читающие автоматы) - для автоматического считывания с бумажных носителей и ввода в ПК машинописных текстов, графиков, рисунков, чертежей; в устройстве кодирования сканера в текстовом режиме считанные символы после сравнения с эталонными контурами специальными программами преобразуются в коды ascii, а в графическом режиме считанные графики и чертежи преобразуются в последовательности двухмерных координат;

Манипуляторы (устройства указания): джойстик - рычаг, мышь, трекбол - шар в оправе, световое перо и др. - для ввода графической информации на экран дисплея путем управления движением курсора по экрану с последующим кодированием координат курсора и вводом их в ПК;

Сенсорные экраны - для ввода отдельных элементов изображения, программ или команд с полиэкрана дисплея в ПК.

К устройствам вывода информации относятся:

Принтеры - печатающие устройства для регистрации информации на бумажный носитель;

Графопостроители (плоттеры) - для вывода графической информации (графиков, чертежей, рисунков) из ПК на бумажный носитель; плоттеры бывают векторные с вычерчиванием изображения с помощью пера и растровые: термографические, электростатические, струйные и лазерные. По конструкции плоттеры подразделяются на планшетные и барабанные. Основные характеристики всех плоттеров примерно одинаковые: скорость вычерчивания - 100 - 1000 мм/с, у лучших моделей возможны цветное изображение и передача полутонов; наибольшая разрешающая способность и четкость изображения у лазерных плоттеров, но они самые дорогие.

Устройства связи и телекоммуникации используются для связи с приборами и другими средствами автоматизации и для подключения ПК к каналам связи, к другим ЭВМ и вычислительным сетям. Сетевой адаптер является внешним интерфейсом ПК и служит для подключения его к каналу связи для обмена информацией с другими ЭВМ, для работы в составе вычислительной сети. В глобальных сетях функции сетевого адаптера выполняет модулятор-демодулятор.

Многие из названных выше устройств относятся к условно выделенной группе - средствам мультимедиа. Средства мультимедиа (multimedia - многосредовость) - это комплекс аппаратных и программных средств, позволяющих человеку общаться с компьютером, используя самые разные, естественные для себя среды: звук, видео, графику, тексты, анимацию и др. К средствам мультимедиа относятся устройства речевого ввода и вывода информации; сканеры; высококачественные видео- (video-) и звуковые (sound-) платы, платы видеозахвата (videograbber); высококачественные акустические и видеовоспроизводящие системы с усилителями, звуковыми колонками, большими видеоэкранами; внешние запоминающие устройства большой емкости на оптических дисках, часто используемые для записи звуковой и видеоинформации.

Дополнительные схемы. К системной шине и к мп ПК наряду с типовыми внешними устройствами могут быть подключены и некоторые дополнительные платы с интегральными микросхемами, расширяющие и улучшающие функциональные возможности микропроцессора: математический сопроцессор, контроллер прямого доступа к памяти, сопроцессор ввода-вывода, контроллер прерываний и др.

...