Объектно-ориентированная технология основана на выявлении и установлении взаимодействия множества объектов и используется при создании компьютерных систем на стадии проектирования и программирования. В качестве объектов в ней выступают пользователи, программы, клиенты, документы, файлы, таблицы, базы данных и т.д. Такие подходы характеризуются тем, что в них используются процедуры и данные, которые заменяются понятием объект. Объект - это предмет, событие, явление, которые выполняют определенные функции и являются источником или потребителем информации. На этой основе, например, построена технология связи и компоновки объектов (OLE), разработанная фирмой Microsoft. Использование объектно-ориентированных технологий позволяет иметь более эффективные решения в системах управления.

Технология управления знаниями позволяет создать не просто автоматизированную систему с единым информационным пространством, а среду, в которой знания одного работника становились бы достоянием всех.

Интернет-технология основана на объединении информационных сетей в глобальную информационную структуру.

Развитие ИТ все более направлено в область интеллектуальных, наукоемких проблем. Визуализация данных, обработка изображений, создание виртуального пространства позволяют человеку погрузиться в образную среду решения сложных задач, приблизиться к поставленным целям на качественно новом уровне, облегчить подготовку и принятие управленческих решений.

ИТ могут использоваться в различных организационных режимах. К основным из них относятся сетевой, пакетный, реального времени, разделения времени, интерактивный и диалоговый.

Сетевой режим определяется необходимостью быстрой передачи информации и оперативного взаимодействия пользователей. Любая сеть характеризуется множеством связанных друг с другом систем, узлов, элементов. Распределенная обработка данных заключается в том, что пользователь и его прикладные программы (приложения) получают возможность работать со средствами, расположенными в рассредоточенных узлах сетевой системы.

Обработка данных в пакетном режиме означает, что каждая порция несрочной информации (как правило, в больших объемах) обрабатывается без вмешательства извне, например, формирование отчетных сводок в конце периода.

Режим реального времени - это технология, которая обеспечивает такую реакцию управления объектом, которая соответствует динамике его производственных процессов. При этом время реакции играет доминирующую роль.

Режим разделения времени - технология, которая предусматривает чередование во времени процессов решения разных задач в одном компьютере.

Интерактивный режим осуществляется в системах реального времени. Он может использоваться для организации диалога (диалоговый режим). Интерактивный режим - это технология выполнения обработки или вычислений, которая может прерываться другими операциями. Такой процесс чаще всего организован как транзакция.

Транзакции - это короткий во времени цикл взаимодействия (объектов, партнеров), включающий запрос, выполнение задания (или обработку сообщения), ответ. Характерным примером транзакции является работа в режиме диалога, например, обращение к базе данных.

Диалоговый режим - технология взаимодействия процессов решения задач со скоростью, достаточной для осмысления и реакции пользователей. Наиболее характерный пример диалога - взаимодействие с базой данных.

Интегрированные технологии представляют собой взаимосвязанную совокупность отдельных технологий, т.е. объединение частей какой-либо системы с развитым информационным взаимодействием между ними. Использование принципа интеграции в компьютерных системах относится к различным аспектам организации технологий: интеграция информации в базах и банках данных; интеграция программ в единые интегрированные пакеты; интеграция распределенных сетевых технологий в целостные системы; интеграция функций управления предприятием в единый управляемый объект и др.

С помощью интегрированных технологий достигается согласованное управление организацией, системой, объектом, координация функций, реализуется доступ многих пользователей к общим информационным ресурсам, тем самым достигается качественно новый уровень управления.

Подводя итог общему обзору современного технологического инструментария, выделим следующие основные виды информационных технологий, которые находят широкое применение и в юридической деятельности:

- обработки данных;

- управления;

- автоматизированных рабочих мест (автоматизация офиса);

- поддержки принятия решений;

- экспертных систем.

В заключение еще раз подчеркнем соотнесение ИТ и ИС.

Информационная технология связана с информационными системами, которые являются для нее основной средой. Между ними имеются отличия. ИТ является процессом, состоящим из четко регламентированных правил выполнения операций, действий, этапов разной степени сложности над данными, хранящимися в ЭВТ. Основная цель ИТ - получение пользователем необходимой информации.

ИС является человеко-машинной системой обработки информации, состоящей из компьютеров и их сетей, программных продуктов, базы данных, людей, различного рода технических и программных, средств связи и т.д. Ее основная цель - организация, хранение и передача информации.

Реализация функций ИС невозможна без знания ИТ, ориентированной на нее. ИТ может существовать и вне сферы ИС. Таким образом, ИТ является более емким понятием, отражающим современное представление о процессах преобразования информации в информационном обществе.

Обобщая все вышесказанное, предлагаем несколько более узкие, нежели введенные ранее, определения информационной системы и технологии, реализованные средствами компьютерной техники.

Информационная технология - совокупность четко организованных определенных целенаправленных действий персонала по переработке информации на ЭВМ.

Информационная система - человеко-компьютерная система для поддержки принятия решений и производства информационных продуктов, использующая компьютерную информационную технологию.

Основными составляющими ИТ являются определение цели; структурирование всех предполагаемых операций и действий, приводящих к достижению цели; выбор необходимого программного инструментария.

В качестве варианта технологического процесса переработки информации можно представить иерархическую многоуровневую структуру:

1-й уровень - этапы, реализующие сравнительно длительные технологические процессы, состоящие из операций (этапы создания постоянной части формы в виде текстов и таблиц, кадра; создания переменной части формы, защита и сохранение формы);

2-й уровень - операции, обеспечивающие создание конкретного объекта в выбранном первом уровне программной среды (операции создания, настройки кадра и внедрения в него рисунка);

3-й уровень - действия - совокупность стандартных для каждой программной среды приемов работы, приводящих к выполнению поставленной в соответствующей операции цели (установка курсора в кадре, выполнение команды «вставка», «рисунок», «таблица» и др.);

4-й уровень - элементарные операции по управлению мышью и клавиатурой.

лекция 1.2 аппаратное обеспечение информационных технологий

1. История развития вычислительной техники

1.1 Создание первых вычислительных приборов

Человечество тысячелетиями вынашивало идею о создании специальных машин, которые бы осуществляли помощь в творческой, умственной деятельности человека, а именно: в обработке информации и выполнении задач, с которыми традиционно справлялся только человек. Такое стремление было вполне обоснованным и крайне необходимым. Действительно, с момента первоначальной деятельности в качестве социального объекта, человек затрачивал массу энергии на поиски, изобретение, создание различных орудий труда, которые бы помогали ему в каждодневной жизни, ускоряли бы производительность типичных и специфических операций.

Создание вычислительной техники было продиктовано необходимостью осуществления различных расчетных задач, причем, при наличии жестких требований по времени или скорости осуществления этих расчетов.

Например, фараон Хеопс поставил перед своими мудрецами задачу: когда он сможет уйти в царство теней? Ответ был связан с расчетами времени окончания постройки великой пирамиды, дающей возможность, по верованиям Древнего Египта, спокойно умереть фараону. Выполнить подобные расчеты с помощью известной к тому времени технологии счета на пальцах было невозможной задачей.

Мудрецы Египта успешно справились с задачей, подарив миру созданную ими АРИФМЕТИКУ - науку о числах (АРИФМО означает число) и первый на Земле вычислительный прибор - абак.

Абак в переводе означает «пыль», «мелкий песок». На специальной доске раскладывали в определенном порядке камешки и, чтобы они не скатывались, доску посыпали песком. Таким был первый вычислительный прибор всего древнего мира. Так, знаменитый древнегреческий математик Пифагор считал счет на абаке обязательным разделом математики.

Постепенно человек усовершенствовал абак. Косточки для счета нанизали на нити. Получившиеся «бусы» натянули на рамку - так создали счеты. У современных счет вместо нитей установлены металлические спицы. Развитие общественных и информационных отношений заставляло и дальше совершенствовать вычислительную технику, которая от первоначальных вариантов перешла в область специализированных механических устройств.

Первую счетную машину, которая называлась АРИФМОМЕТР, изобрел в XVII веке замечательный французский ученый Паскаль. Она выполняла любые арифметические операции. Умножение в ней производилось многократным сложением, деление - многократным вычитанием.

Машина эта производила на современников неизгладимое впечатление. О ней писались поэмы, слагали легенды, потому что впервые машина делала операции, посильные еще совсем недавно только человеку.

Главным недостатком всех арифмометров было то, что передвигать колесики, устанавливать цифры, запоминать промежуточные результаты - все это должен был делать человек. Он управлял процессом вычислений, а также сам держал в памяти последовательность действий.

Однако жизнь ставила все новые, более сложные задачи: астрономия и экономика государства, мореплавание и научные исследования, строительство мостов и тоннелей, обработка результатов переписи населения. Если бы пришлось решать все эти задачи на арифмометрах, то для этой работы не хватило бы людей на всей планете.

Кроме расчетных задач на механические устройства пытались возложить и простые функции обработки информации, в частности сортировки данных. Так, для обработки результатов переписи населения США в конце XIX века (первая была в 1870 - обрабатывалась 7,5 лет; вторая - 10 лет) служащий бюро ценза Герман Холлерит предложил и использовал механический табулятор.

Счетная машина-табулятор Холлерита - одно из самых первых изделий фирмы, которую он в 1911 г. совместно с Томасом Лодсоном преобразовал в маленькую фирму - IBM - International Business Machins (что сейчас обозначает данная аббревиатура - давно известно всему миру).

Идея же использования программного управления для построения устройства, автоматически выполняющего арифметические вычисления, была впервые высказана английским математиком Чарльзом Бэббиджем в начале XIX века. К 1833 году после 10 лет работы была построена лишь часть данной машины (но действующая часть), которая должна была интегрировать уравнения в конечных разностях для задач составления астрономических, навигационных и других жизненно необходимых математических таблиц.

В целом аналитическая машина Бэббиджа должна была содержать, наряду с арифметическим устройством, внутреннюю память, внутреннее устройство управления и программироваться с помощью перфокарт. Однако его попытки построить механическое вычислительное устройство в полном варианте не увенчались успехом.

Идея аналитической машины Бэббиджа легла в основу подготовки первой ЭВМ, но была реализована лишь спустя 100 лет.

1.2 Основные предпосылки создания ЭВМ в XX веке

Научно-технические предпосылки

Их можно представить с двух взаимосвязанных сторон:

- логической, определяющий общий вид и смысл обработки информации;

- аппаратной (физической), дающей возможность в конкретных технических устройствах выполнить необходимую логику действий над элементарными данными.

Итак, перечислим эти предпосылки.

1. Двоичная система счисления

Двоичная система счисления была открыта Т. Гарриотом еще около 1600 г., а позже Паскаль во Франции, Лейбковиц в Испании, Лейбниц в Германии распространили ее на все арифметические действия. Таким образом, была известна логическая и математическая система простого, но надежного (с точки зрения физической реализации) выполнения операций над элементарной информацией.

Обоснование использования именно двоичной системы счисления для создания электронной вычислительной техники были даны выше при пояснении формы представления информации в ЭВМ.

2. Электромагнитное реле, как аппаратный вариант реализации двоичной логики. Реле было изобретено еще в 30-е годы XIX века, но так же, как и идеи аналитической машины Бэббиджа, более 100 лет его не пытались применять для создания вычислительной техники.

3. Электроламповый триггер, как аппаратный вариант реализации двоичной логики. Еще в 1918-1919 гг. М.А. Бонч-Бруевич в СССР и У. Икклз и Ф. Джордан в Англии независимо создали ламповый триггер. Это электронное устройство с двумя устойчивыми состояниями. По принципу или смыслу работы триггер может быть элементарной ячейкой памяти машины и, находясь в одном из состояний, как бы «запоминать» необходимый вид сигнала. И, хотя такая ячейка способна фиксировать всего лишь два состояния, она, в силу простого варианта исполнения и принципа работы, умеет делать это надежнее и быстрее других устройств.

Кроме триггеров в машине необходимы и логические устройства (например, двоичные логические элементы - так называемые логические вентили). Они же могут быть выполнены значительно проще триггеров.

Поэтому не случайно высказывание одного из пионеров электронной вычислительной техники, что «после 1919 года в любой момент можно было создать ЭВМ». Однако только в 1937 г. потомок выходца из Болгарии Георгий Атанасов приступил к созданию первой вычислительной машины на электронных лампах. Работа затянулась на долгие годы (до 1942 г.) и была прервана войной.

Говард Айкен, американский физик, стремившийся сначала лишь к облегчению собственных расчетов, пришел к идеям аналитической машины Бэббиджа самостоятельно и создал в 1944 г. первую действующую аналитическую машину «МАРК-I» на электромеханических реле. Одновременно в Германии аналитическую машину создавал К. Цузе, который еще в 1941 г. сконструировал первый двоичный релейный вычислитель.

Общественно-политические предпосылки создания ЭВМ

Таким образом, к 40-м гг. ХХ в. идея универсальной электронной вычислительной машины не только носилась в воздухе, но ее реализация стала насущной необходимостью.

Этому способствовали реальные условия мирового сообщества. Человечество было на грани Второй мировой войны, бурно развивались атомная физика, ракетная и космическая техника. Начавшаяся война заставила принимать решения по стратегии и тактике ее ведения, применению новых видов и систем вооружения, в первую очередь, атомного.

Все эти проблемы потребовали решения вычислительных задач такого большого объема, что с ними нельзя было справиться при помощи уже имевшихся механических арифмометров, клавишных или перфорационных счетных машин. К новой вычислительной технике было выдвинуто жесткое требование - максимально возможная скорость осуществления вычислительных операций.

Механическая вычислительная техника, да и ее электромеханические варианты не были способны обеспечить необходимую скорость. Самый быстрый среди них элемент - электромагнитное реле - переключается лишь за десятые доли секунды (именно за это время якорь реле перелетает от одной контактной группы к другой и тем самым замыкает разные электрические цепи).

Эта конструктивная особенность принципиально ограничивает совершенствование быстродействия такой машины. Для полностью электронного прибора, например электронной лампы, частота же или условная скорость срабатывания (переключения), была в тысячи раз выше.

Все сказанное доказывает, что с возникшими информационными задачами могли справиться только новые средства вычислительной техники - электронные вычислительные машины. А их принципиальная схема выполнена именно на электронных приборах.

2. Поколения ЭВМ

После безуспешных работ Георгия Атанасова по созданию электронной машины в 1942 г. выходит книга известного ученого Норберта Винера «Основы кибернетики или теории управления всеми организмами». Основываясь на материале этой книги и на знаниях системной техники, Джон фон Нейман, Чарльз Айстин и другие американские ученые, знакомые с работами Атанасова, приступили к разработке ЭВМ (на базе электронных ламп).

Первая ЭВМ была создана в 1946 году в США в Пенсильванском университете под руководством Дж. Маучли и Дж. Эккерта. Называлась эта машина ENIAC - electronic integrator and calculator (ЭНИАК - аббревиатура от полного названия «электронный интегратор и вычислитель»). Применялась она лишь для расчетов ядерных реакций в военных целях.

От момента создания данной машины и идет эра ЭВМ. И, хотя производительность ее работы составляла мизерную по современным представлениям величину - 5 000 операций в секунду, она была новым принципиальным шагом в развитии вычислительной техники той поры и революционно превосходила все другие виды вычислителей.

Первая в Европе ЭВМ была создана в СССР в 1951 году под руководством академика С.А. Лебедева в АН УССР в Киеве. Называлась она Малая Электронная Счетная Машина - МЭСМ.

Позже в 1952 г. в одном из немецких научных учреждений была обнаружена засекреченная вычислительная машина подобного направления, созданная Карлом Шуреком еще в 1944 г. Но право на изобретение уже было за американцами.

Дальнейшая история развития ЭВМ подобной архитектуры представлена в виде, так называемых поколений. Подробнее о понятии и особенностях архитектурного построения таких машин («фон-неймановской» архитектуры) поговорим ниже

Поколение ЭВМ - совокупность существенных особенностей и характеристик, используемых при построении конструкторско-технологической и логической базы машины. Основа разделения ЭВМ на поколения, прежде всего, выражается в элементной базе.

Элементная база - совокупность технических устройств, из которых собрана вся машина. Она определяет все характеристики ЭВМ.

Чтобы вести изложение отличий ЭВМ по поколениям развития, приведем эти характеристики и рассмотрим, как их следует понимать.

Характеристики ЭВМ

Быстродействие - способность ЭВМ выполнять некоторое количество арифметических и логических операций в единицу времени (как правило, в секунду). Данную характеристику не следует путать с тактовой частотой работы процессора. Дело в том, что выполнение конкретной операции складывается из определенной совокупности элементарных действий, каждое из которых осуществляется за один такт.

Эта характеристика измеряется в MIPS (миллионах команд, выполняемых в секунду) и MFLOPS (миллионах операций над числами с плавающей запятой, выполняемых в секунду).

Объем внутренней и внешней памяти - количество информации, которое может быть доступно для быстрой обработки на ЭВМ или может быть сохранено на продолжительный период. Эти объемы считаются, как было отмечено выше, в байтах, килобайтах и других единицах измерения информации.

Точность вычислений - способность процессора (сопроцессора) ЭВМ выполнять арифметические операции с определенной точностью после запятой (допустим, порядка 300 знаков после запятой).

Габаритные размеры - величина внешних размеров как отдельных модулей или составных частей машины, так и всего комплекса в целом.

Энергопотребление - электрическая мощность, потребляемая от источника питания, как отдельными модулями, так и всей ЭВМ.

Стоимость - цена отдельных модулей, всего комплекса ЭВМ, расходных материалов.

Дизайн - внешний вид, форма, окраска, удобство эксплуатации и др.

Возможность выполнения определенных задач. Эта характеристика определяет тактические или, можно сказать, обобщающие возможности ЭВМ. Они реализуются на базе технических характеристик, рассмотренных выше

Основные характеристики производительности ЭВМ подчиняются эмпирическому закону, сформулированному сотрудником корпорации Intel - Г. Муром. В соответствии с ним тактовая частота процессоров (как основной фактор быстродействия) удваивается каждые полгода.

1-е поколение ЭВМ (с 1946 г. до середины 50-х годов ХХ в.).

Элементная база ЭВМ этого поколения - электронные лампы.

К первому поколению ЭВМ, кроме отмеченных выше, относятся созданные советскими учеными и инженерами ламповые вычислительные машины БЭСМ-2, Стрела, М-2, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-2, М-20. Они были, в основном, ориентированны на решение научно-технических задач.

Что же представляли собой машины первого поколения? Характеристики ЭНИАКа: вес - 30 тонн, занимаемая площадь - 150 м.кв., 40 панелей управления, 18 000 электронных ламп, 1 500 реле, производительность - 5 000 операций в секунду.

Одна из первых вычислительных машин - ТРИДАГ - занимала площадь целого здания.

Эксплуатация ЭВМ первого поколения дала ряд заметных результатов и тем самым определяла необходимость дальнейших научных исследований и практических внедрений в области развития этого нового для человечества класса техники.

Такие исследования и внедрения проводились во многих странах и через некоторое время темпы развития новой отрасли вышли в число одних из ведущих в мире. Так, для сравнения, можно прогнозировать создание нового самолета в авиационной промышленности (где темпы развития также высоки), но в условном пересчете на темпы роста индустрии электронно-вычислительной техники и микроэлектроники. В качестве сравнительных характеристик возьмем скорость, энергопотребление, стоимость. Самолет, который бы мог быть создан при таких условиях, должен быть способным облететь земной шар всего за несколько часов, истратив при этом около 20 кг топлива, а стоил бы всего 500 долларов.

На данном образном примере мы показали, что действительно, начиная с первого поколения, человечество вкладывало огромные ресурсы в становление и развитие электронно-вычислительной техники. Основу такого движения вперед составляли работы по изменению элементной базы ЭВМ и последовательного улучшения всех ее технических характеристик.

Одной из значительных вех на этом пути было изобретение в 1948 году нового электронного прибора - транзистора.

В 1955 г. начинается выпуск транзисторных бортовых ЭВМ для военной авиации. Так было начато 2-е поколение компьютеров.

2-е поколение ЭВМ (с середины 50-х годов до середины 60-х годов ХХ в.).

Элементная база - транзисторы.

Применение транзисторов в этом поколении позволило существенно повысить надежность, снизить энергопотребление, уменьшить размеры ЭВМ.

В целом изменение элементной базы позволило создать ЭВМ, обладающие большими логическими возможностями и более высокой производительностью. Наряду с машинами для научных расчетов, появились ЭВМ для решения планово-экономических задач (задач обработки данных) и управления производственными процессами.

В нашей стране были созданы полупроводниковые ЭВМ различного назначения: малые ЭВМ серии Наири и МИР, средние ЭВМ для научных расчетов и обработки данных со скоростью работы 5-30 тыс. операций в секунду - Минск-2, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Раздан-2, Раздан-3, БЭСМ-4, М-220 и управляющие вычислительные машины Днепр, ВНИИЭМ-3 и др.

В рамках второго поколения академики С.А. Лебедев и В.А. Мельников создали сверхбыстродействующую ЭВМ БЭСМ-6 с производительностью 1 000 000 операций в секунду. Именно данной машине принадлежит мировой рекорд преодоления такой производительности.

Таким образом, уже в рамках второго поколения видно существенное расширение сферы использования вычислительной техники по сравнению с первоначальным узкоспециализированным военным применением. Эта тенденция прослеживается и дальше.

Кроме того, во всем мире продолжали развиваться тенденции к повышению надежности, быстродействия, снижению стоимости аппаратуры и улучшению других характеристик.

Качественное развитие указанных тенденций могло быть лишь при изменении элементной базы ЭВМ.

В 1958 г. разработана и создана интегральная схема - новый вид электронных приборов. В ней на одном кусочке полупроводника собрана целая электронная схема.

Важен проект фирмы IBM во второй половине 60-х годов ХХ в. по созданию новых классов ЭВМ на базе интегральных схем (ИС). Фактически был создан совершенно новый промышленный комплекс, по сравнению с которым вся предшествующая вычислительная техника могла бы показаться робким экспериментом. Но это и потребовало серьезных затрат в сумме около 5 млрд. долл. - 500 млн. на исследования и более 4 млрд. на развитие производства. Даже на знаменитый Манхэттенский проект, завершившийся взрывами первых атомных бомб, ушло средств в 2,5 раза меньше.

3-е поколение ЭВМ (с середины 60-х до середины 70-х гг. ХХ в.).

Элементная база - интегральные схемы малой степени интеграции, где на миниатюрном кремниевом кристалле, размером примерно 1 см на 1 см, размещалось до 100 активных элементов. Отсюда и название - чип - от английского слова «кусочек», «обломок».

Первая ЭВМ на интегральных схемах была изготовлена уже в 1961 году. Она содержала 587 схем малой интеграции. А в следующем 1962 г. была выпущена первая серийная ЭВМ 3-го поколения. В полной мере развитие этого поколения относится к выше отмеченному проекту - разработке машин IBM-360.

Наша страна совместно со странами - членами СЭВ - в начале 70-х годов разработали и организовали серийное производство Единой Системы ЭВМ (ЕС ЭВМ) и Системы Малых ЭВМ (СМ ЭВМ) - машин третьего поколения на интегральных схемах.

В 1971 г. был создан первый микропроцессорный комплект 4004 - семейство из пяти дополняющих друг друга кристаллов. Главный чип имел размеры 3,8 на 2,8 мм и содержал 2 250 транзисторов. Первый микропроцессор был 4-разрядным, изготовлен на p-канальных МОП транзисторах и имел быстродействие порядка 50 000 операций в секунду. Уже к концу 70-хх гг. быстродействие микропроцессоров превысило миллион операций в секунду, степень интеграции - 200 000 транзисторов, разрядность достигла 32, что стало достаточным для решения подавляющего большинства задач даже в перспективе. Таким образом, основа для создания ЭВМ 4-го поколения была заложена.

4-е поколение ЭВМ (с середины 70-х годов ХХ в. по настоящее время).

Элементная база - интегральные схемы БИС - большой (от 100 до 1 000 активных элементов на один чип) и СБИС - сверхбольшой (свыше 1 000 активных элементов на один чип) степени интеграции. В первую очередь на этих элементах строят память ЭВМ.

В ЭВМ четвертого поколения достигается дальнейшее упрощение контактов человека с ЭВМ. Использование БИС и СБИС позволяет аппаратными средствами реализовывать некоторые функции программ операционных систем (аппаратная реализация трансляторов с алгоритмических языков высокого уровня и др.), что способствует увеличению производительности.

Характерным для крупных ЭВМ четвертого поколения является наличие нескольких процессоров, ориентированных на выполнение определенных операций, процедур или на решение некоторых классов задач. Создаются многопроцессорные вычислительные системы с быстродействием в несколько десятков или сотен миллионов операций в секунду. Кроме того, разрабатываются и многопроцессорные управляющие комплексы повышенной надежности с автоматическим изменением структуры (автоматической реконфигурацией).

Революцией в развитии вычислительной техники явилось создание и выпуск персональных компьютеров. Появлению их способствовали такие условия. Фирмы-разработчики ЭВМ поглощали не более 15% вала микропроцессоров, поставляемых фирмами-технологами. И тогда последние развернули широкую кампанию, стремясь пробудить самодеятельность населения. Попытка удалась настолько, что мир захлестнула новая волна радиолюбительства (точнее компьютеролюбительства). Работая в любых доступных условиях, люди конструировали персональные машины, предназначенные для индивидуального пользователя.

Двоим любителям сопутствовала невероятная удача. Персональная машина «Apple» (яблочко), созданная в 1976 г. Стивеном Джобсом и Стивом Возняком, 20-летними техниками фирмы электрических игрушек, оказалась очень удачной. Уже в 1977 г. ее тираж превысил миллион; к 1984 г. объем продажи фирмы «Apple» достиг 1 млрд. долларов - уровня, до которого нынешний сверхгигант вычислительной техники IBM шел 50 лет! Впрочем, с начала 80-х гг. и IBM и другие мощные фирмы вступили в борьбу за рынок персональных машин. И они достигли больших результатов: условное время сборки одной ЭВМ на линиях сократилось до нескольких секунд, увеличивались емкость памяти, пространственное и цветовое разрешение дисплеев.

В нашей стране в рамках 4-го поколения выпущены разнообразные машины: продолжение серий ЕС ЭВМ и СМ ЭВМ, причем с рядом персональных ЭВМ, например, ЕС 1840,1841,1842, Искра 1030.

За рубежом - это компьютеры на базе процессора Intel 286, 386, 486, а затем ряда моделей Pentium.

В рамках 4-го поколения развились также хорошо известные всему миру средства вычислительной техники - микрокалькуляторы.

5-е поколение ЭВМ

В значительной степени формированию пятого поколения способствовали публикации сведений о проекте ЭВМ пятого поколения, разрабатываемом ведущими японскими фирмами и научными организациями, поставившими перед собой цель захвата в 90-х годах ХХ в. мирового лидерства в области вычислительной техники на основе обладания высочайшими технологиями в производстве микропроцессоров. Поэтому этот проект часто называли «японским вызовом».

Согласно проекту ЭВМ и вычислительные системы пятого поколения помимо более высокой производительности и надежности при более низкой стоимости должны обладать следующими качественно новыми свойствами. Это: 1) возможность взаимодействия с ЭВМ при помощи естественного языка, человеческой речи и графических изображений; 2) способность системы обучаться, производить ассоциативную обработку информации, делать логические рассуждения, вести «разумную» беседу с человеком в форме вопросов и ответов; 3) способность системы «понимать» содержимое базы данных, которая при этом превращается в «базу знаний» и использовать эти «знания» при решении задач.

Предполагалось, что в ЭВМ пятого поколения быстродействие машин и емкость основной (оперативной) памяти составят соответственно 2 млн. операций в секунду и 0,5 - 5 Мбайт для персональных компьютеров и 1-100 млрд. операций в секунду и 8-160 Мбайт для сверхпроизводительных ЭВМ. Ожидалось, что в машинах пятого поколения будут использоваться СБИС, содержащие до 1-10 млн. транзисторов на одном чипе.

Однако современная оценка состояния этих прогнозов является неоднозначной. Ряд поставленных целей из-за конструктивных особенностей машин «фон-неймановской» архитектуры не были достигнуты. В то же время основные характеристики (например, быстродействие, объем оперативной памяти и др.) были перекрыты и, нередко, очень значительно. Так, объемы оперативной памяти в 128, 256, 512, 1024 Мбайт и выше в современных персональных ЭВМ стали уже практической необходимостью. Общая проблема данного поколения, как оказалось, скрыта не в достижении некоторых технических характеристик ЭВМ, а в необходимости замены основной идеи работы - программного принципа и связанной с ним «фон-неймановской» архитектуры. О некоторых попытках создания ЭВМ новых архитектур расскажем дальше.

В заключении отметим: несмотря на то, что пятое поколение ЭВМ так и осталось еще не полностью реализованным, ведутся научные и практические исследования по разработке и созданию следующих поколений. Идеи этих поколений состоят не только в принципиальной замене архитектурного построения, но и в применении иногда фантастических вариантов физической реализации ЭВМ, как, например, предлагается при создании биокомпьютеров, т.е. управление живыми организмами с помощью средств и методов компьютерной техники.

3. Классификация и области применения современных ЭВМ, их использование в юриспруденции

Классификационными признаками для разделения ЭВМ может выступать множество характеристик и их различных сочетаний. Например, быстродействие ЭВМ, объемы хранимой оперативной и архивной памяти, габаритные размеры, стоимость и т.д.

Поэтому в качестве комбинированного классификационного признака можно взять возможность или предназначение ЭВМ выполнять определенные классы информационных задач.

Согласно такому классификационному признаку, современные ЭВМ можно условно подразделить на следующие классы (более подробно о причинах условности смотри в конце данного параграфа).

1. СУПЕРЭВМ. Они являются самыми мощными компьютерами, предназначенными для решения уникальных задач, требующих предельных характеристик (в первую очередь быстродействия).

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Автоматизация управления в сверхбольших системах (государственное управление, космические исследования, оборона и т.п.).

- Моделирование процессов глобального характера.

ПРИМЕРЫ: - картографирование Земли и других планет при их съемке или радиолокационном обследовании из космоса;

- составление непрерывно меняющихся метеорологических карт и предсказание погоды;

- системы ПВО типа СОИ и другие стратегические оборонные задачи;

- моделирование процессов типа «ядерная зима», последствий Чернобыльской катастрофы;

- поиск оптимальных решений в задачах социально-правового и экономического планирования.

Данный класс машин является самым предельным по размерам, быстродействию, стоимости. Обрабатывает огромное количество информации и представляет результаты в виде динамических таблиц и графиков, имитирующих реальность.

Быстродействие их еще в конце XX в. было свыше 1 000 млрд. операций/сек. А при решении некоторых задач была достигнута огромная производительность - 35 000 млрд. операций/сек. Современные проектные разработки направлены на создание ЭВМ с еще большим быстродействием - порядка сотни тысяч млрд. оп/сек. Основа для создания таких ЭВМ заключена, например, в возможностях нанотехнологии.

По своей внутренней архитектуре и многим показателям суперЭВМ представляют как бы сеть в одной машине. СуперЭВМ обычно содержат множество параллельных процессоров, и в оптимальных условиях производительность машины пропорциональна их числу.

В последнее время начинают происходить изменения и в областях применения суперЭВМ. Их круг типовых задач, отмеченный выше, расширяется в разнообразные сферы деятельности. Например, в США одна из фирм применяет суперЭВМ для проектирования формы металлической баночки под пиво, а в Англии в Скотланд-Ярде суперЭВМ стала применяться (конец 80-х г. XX в.) в задачах дактилоскопической идентификации в работе полиции.

В деятельности правоохранительных органов нашей страны аналогичных применений суперЭВМ пока нет, хотя информационные задачи для такого класса компьютеров, несомненно, имеются.

2. БОЛЬШИЕ ЭВМ. Они предназначены для задач, где вводится и запоминается очень большое количество исходных данных, а обработка ведется по сложным алгоритмам.

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ: - Автоматизация управления отраслями, предприятиями, объединениями, корпорациями (АСУ).

- Автоматизированные банки данных.

- Решение научно-технических задач.

- Автоматизация проектирования.

ПРИМЕРЫ:

- применение банков данных различного назначения в деятельности правоохранительных органов. Эта область применения больших ЭВМ является, видимо, одной из самых распространенных и известных в мировой практике. В информатике даже существует научно обоснованная точка зрения, которая предлагает определять степень информатизации общества в конкретно взятой стране по количественным характеристикам применяемых баз и банков данных. Среди перечня видов баз и банков данных заметное место занимают те, которые применяются для задач юридической деятельности, начиная от эталонных банков законодательства и специализированных банков правоохранительных органов страны в целом и заканчивая региональными, соответствующими административно-территориальному делению государства;

- другие примеры эксплуатации этого класса ЭВМ соответствуют приведенным типовым задачам.

3. СРЕДНИЕ ЭВМ (ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ). Для задач, где обрабатывается очень большое количество исходных данных, но алгоритмы обработки состоят из сравнительно небольшого числа логических и арифметических операций. Результаты обработки в большом количестве печатаются в отредактированной форме в виде таблиц, ведомостей и т.д.

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ:

- Инженерные расчеты.

- Обработка планово-экономических, учетных, статистических данных.

ПРИМЕРЫ: в юриспруденции данные ЭВМ, как и в большинстве других областей человеческой деятельности, применяются именно для решения планово-экономических задач, а также специфических статистических задач в области уголовно-правовой статистики.

4. МАЛЫЕ (МИНИ) ЭВМ. Отражают идею так называемых «малых» применений вычислительных машин в задачах, где по довольно простым алгоритмам обрабатываются небольшие объемы данных.

Для этих применений, например, ЭВМ общего назначения слишком велики и дороги. Кроме того, для применения ЭВМ данного класса могут быть и довольно специфические условия. В этих условиях компьютер должен работать и применительно к ним приходится создавать специализированные устройства для сбора или восприятия первоначальных данных, а также их предоставления пользователю в каком-то специфическом виде (на практических занятиях мы рассмотрим, что существо данных проблем относится к так называемым периферийным устройствам ЭВМ).

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ:

- Автоматизация управления технологическими процессами (АСУ ТП).

- Автоматизация контроля и измерений.

- Автоматизация научных исследований, испытаний сложных объектов.

ПРИМЕРЫ: эти машины применяются для реализации таких задач, как автоматизированное управление дорожным движением посредством светофорного регулирования, автоматизированная охрана объектов государственной и гражданской принадлежности.

5. МИКРОЭВМ (в том числе ПЕРСОНАЛЬНЫЕ). МикроЭВМ - это компьютер индивидуального применения, позволяющий удовлетворить различные информационные потребности пользователя.

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ:

- Автоматизированные рабочие места (АРМ).

- Управление в сетях передачи данных.

- Первичная обработка информации в местах ее возникновения (интеллектуальные терминалы).

- Автоматизация задач обучения, бытовых, досуга.

ПРИМЕРЫ: в юриспруденции данный класс вычислительной техники находит одно из широких применений. Он позволяет, как реализовывать информационные задачи пользователей любого уровня в иерархической системе государства, так и выполнять отдельные задачи, которые ранее были присущи лишь вышестоящим классам компьютеров. Например, на персональных ЭВМ можно организовать довольно солидные банки данных, вести обработку планово-экономической и статистической информации большого объема, реализовывать выше обозначенные задачи применения малых ЭВМ и т.д. Такое положение в современный период стало характерным в силу качественного, революционного изменения возможностей персональных ЭВМ на базе передовых технологий микроэлектроники, программного обеспечения и ряда других организационных и физических факторов.

6. МИКРОПРОЦЕССОРЫ. Микропроцессор - это интегральная схема (как правило, большая или сверхбольшая), предназначенная для выполнения определенного набора функций.

ТИПОВЫЕ ЗАДАЧИ:

- Встроенные устройства контроля и управления приборами, машинами и т.д.

- Блоки и устройства вычислительной техники.

ПРИМЕРЫ: о многообразии применения микропроцессоров в мировой практике говорят данные, указывающие на то, что только направлений их использования для различных сфер деятельности человека насчитывается более 200 000.

Естественно, указанная общая ориентация массового применения микропроцессоров отражается и на деятельности правоохранительных органов. Микропроцессоры используются здесь во всех электронных и иных устройствах, как специализированного профессионального назначения, так и технических устройств и систем общего применения, адаптируемых для реальных практических потребностей.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПО КЛАССАМ. Из сказанного видно, что в настоящее время в развитии средств вычислительной техники наблюдаются очень серьезные, качественные изменения. Современный рост эффективности и быстродействия вычислительной техники на единицу стоимости и веса идет по экспоненте с периодом удвоения приблизительно за два года.

В частности, миниатюризация элементной базы позволяет резко изменить габаритные размеры ЭВМ, ее энергопотребление и другие взаимосвязанные характеристики. Вместе с тем, ЭВМ, выполненные в более миниатюрном исполнении, нередко, обладают возможностями, в несколько порядков превосходящими этот же класс машин более раннего изготовления. А как отмечалось, создание и активная разработка супермикроминиатюрных или нанотехнологий уже сейчас позволяет реально предполагать создание принципиально новых видов ЭВМ, которая будет терафлопным суперкомпьютером (с быстродействие в тысячу миллиардов операций с плавающей запятой в секунду), а величиной не больше спичечной головки.

Кроме того, резкое влияние на характеристики оказывает отмеченная выше тенденция доведения ее до параметров суперЭВМ с резким увеличением коммутационных возможностей.

В силу сказанного, не представляется реальным провести какое-либо четко разграниченное сравнение характеристик рассмотренных классов ЭВМ. Мы ограничились здесь лишь рассмотрением общих возможностей. Приведенные сведения базируются на ретроспективном анализе характерных применений компьютеров различных классов. Тем не менее, даже такое условное рассмотрение дает возможность представить существующий общий обзор задач, которые выполняются с помощью компьютерной техники.

4. Понятие «фон-неймановской» архитектуры

Как мы уже отмечали, в основе построения первых ЭВМ лежал программный принцип управления, предложенный Чарльзом Беббиджем в своей аналитической машине. Согласно принципу, программа или последовательность элементарных действий по обработке информации готовится заранее человеком, а задача машины состоит в четком и быстром исполнении данной последовательности (во времена Беббиджа такой программный принцип использовался, например, в механических станках ткацкой промышленности).

Идея программного управления вычислительным процессом была существенно развита немецким математиком Джоном фон Нейманом (эмигрировавшим из Европы в США во время войны). Он обратился к проблеме вычислительных машин в 1943 году, а в 1945 году сформулировал принцип хранимой в памяти программы и ряд других необходимых подходов и методов для создания ЭВМ.

Его научный доклад об идеях и принципах построения программно-управляемых электронных машин представлял по сути дела теоретическую базу принципиально нового класса вычислительной техники. Данная концепция приобрела мировую известность и одобрение, прежде всего за то, что там были изложены конкретные пути создания стратегически требуемых вычислителей, сочетающих необходимое быстродействие, простоту изготовления, реальную работоспособность и приемлемую надежность.

Именно по предложенной в докладе методологии осуществлялись разработки и создание большинства первых ЭВМ. За это концепция ученого получила обобщающее название - «фон-неймановская» архитектура.

Следует отметить, что основные идеи такой архитектуры, несмотря на их первоначальную простоту, тривиальность, принципиальные ограничения (которые, кстати говоря, выявились на качественном уровне гораздо позднее - напомним «провал» пятого поколения), имели самое широкое распространение в области разработки ЭВМ. Продолжалось это на протяжении четырех поколений ЭВМ.

Лишь только в современный период начали осуществляться идеи создания машин, которые по своему построению отличаются от данной архитектуры (например, нейрокомпьютеры и другие архитектуры, о чем мы поговорим ниже). Рассмотрим суть «фон-неймановской» концепции.

В обычном представлении термин «архитектура» обозначает следующее.

Архитектура - (лат. architectura, от греч. architekton - строитель), зодчество, система зданий и сооружений, а также искусство их создавать.

Архитектура в информатике - концепция взаимосвязи элементов сложной системы (например, вычислительной машины, вычислительной сети и т.д.).

Архитектура вычислительной системы - общая логическая организация вычислительной системы, определяющая процесс обработки данных в ней. Она включает: методы кодирования данных, состав, назначение, принципы взаимодействия технических средств и программного обеспечения.

Другие варианты определения:

Принципы работы вычислительной системы на функциональном уровне безотносительно к физической реализации.

Точно определенный интерфейс (система взаимодействия) между программами и аппаратурой вычислительной системы.

В разнообразии представленных определений мы стремимся подчеркнуть тот факт, что на современном уровне развития вычислительной техники при ее разработке и создании приходится затрачивать значительные ресурсы на предварительном концептуальном рассмотрении возможных композиций, сочетаний, технологий объединения, как больших систем, так и любого их модуля (на первый взгляд даже функционально незначительного). Причем для достижения высокопроизводительных, универсальных и, самое главное, надежных комплексов вычислительной техники обязательно приходится сочетать идеи как оригинального, оптимального построения разрабатываемых устройств, так и их совместимости на самых различных уровнях (программном, аппаратном, информационном, физическом и др.)

Таким образом, видна принципиальная значимость архитектурного построения ЭВМ (во всех отмеченных аспектах этой проблемы).

Основными чертами (идеями) «фон-неймановской» архитектуры ЭВМ являются:

1. Хранение программы действий машины в памяти самой машины. Это считается наиболее универсальной идеей фон Неймана, направленной на сокращение времени прохождения электрического сигнала по устройствам машины, что в конечном итоге будет определять быстродействие ее работы. Причем особо важным условием является то, чтобы данная память работала максимально быстро. За это далее мы будем называть ее оперативной;

2. Минимизация оборудования. Данная идея, как и следующие, были порождены слабостью ламповой элементной базы, а также общей установкой на увеличение быстродействия вычислительного комплекса в целом. Но и после замены элементной базы, пути, предложенные фон Нейманом, сохранились как исходная посылка для поиска более совершенных вариантов технологической реализации.

Смысл данного предложения в том, что было необходимо, с одной стороны, создать работоспособную ЭВМ, а, с другой - работающую с определенной надежностью. Поэтому перед разработчиками стояла задача применения в комплексе все меньшего числа самостоятельных устройств, но без потери общей работоспособности и уменьшения быстродействия;

Минимизация внутренних связей. В этом подходе также отражается двойственная задача: иметь машину, устройства которой будут соединены как можно меньшим числом проводников, дорожек печатных плат, других физических линий, но, опять же, с выдержкой основных критериев по быстродействию, работоспособности и надежности функционирования. Следует подчеркнуть, что первоначальные идеи архитектуры порождали их дальнейшее усовершенствование, развитие (на основе практической эксплуатации ЭВМ, возникающих информационных задач и расширения новых сфер применения).

Например, отмеченные варианты минимизации привели впоследствии к развитию идей миниатюризации, как отдельных устройств ЭВМ, так и всего комплекса в целом;

4. Определенная организация взаимодействия основных устройств машины - арифметико-логического, управляющего, ввода и вывода данных, памяти. После определения перечисленного набора составляющих модулей ЭВМ, требовалась еще и проработка вопросов их композиционного соединения, при котором бы обеспечивались различные аспекты совместимости.

Как видим, все предложения фон Неймана по созданию ЭВМ были ориентированы на реализацию простой по конструкции, но работоспособной и надежной машины (в условиях имеющейся элементной базы, о проблемах эксплуатации которой мы частично упоминали в разделе исторических сведений о развитии ЭВМ).

Отмеченный вариант построения (архитектуры) ЭВМ получил в вычислительной технике кроме «фон-неймановской» архитектуры и другое обобщающее название - SISD architecture (Single Instruction Single Data) - ЭВМ с одним потоком команд и одним потоком данных.

В совокупности эти идеи сводятся к варианту (архитектуре) организации ЭВМ, при которой машина состоит из двух основных частей:

1 - линейно адресуемой памяти, слова (ячейки) которой хранят команды и элементы данных. В определении памяти подчеркнута идея ее линейности (по крайней мере, линейной адресации), т.е. опять представлена необходимость применения самой простой структуры - одной линии. Но и, вместе с тем, расположение всей совокупности команд и результатов в единой непрерывной строке позволяет организовать наиболее надежный последовательный алгоритм обработки информации. Теоретически доказательство такой возможности было приведено еще в 1936 году А. Тьюрингом;

2 - процессора, выбирающего из памяти команды и их операнды и записывающего результаты также в определенные ячейки памяти (в кратком виде об операнде можно сказать - условия и правила исполнения конкретной команды). Каждая команда явно или неявно указывает адреса операндов, результата и следующей команды.

Программный принцип обработки

Принцип обработки информации путем последовательного выполнения цепочки командных действий получил название «программного принципа обработки». Он характерен именно для ЭВМ с «фон - неймановской» архитектурой. Согласно ему дадим определение программы.

...