Гладких Б.А. Информатика от абака до интернета. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

ВВЕДЕНИЕ 21

плотность, то есть количество телефонов на 100 жителей – входит в

число шести основных критериев Международного валютного фонда,

определяющих экономический уровень развития страны. В промыш-

ленно развитых странах он достигает значения 40 и более, в России

приближается к 20, однако в последние годы электросвязь в нашей

стране развивается очень быстрыми темпами, так что перспективы по-

пасть в информационно развитые страны у России остается.

Компьютер и связь – два ключевых понятия, два равноценных ры-

чага информационной революции. Долгое время они развивались неза-

висимо друг от друга, но в 80-х и 90-х годах начался процесс их интен-

сивного сближения. С одной стороны, электросвязь дала компьютерам

возможность объединяться в локальные и глобальные компьютерные

сети. С другой стороны, все современные средства связи, будь то теле-

фонная станция или студийный телевизионный комплекс, по сути пред-

ставляют собой сложные программно-управляемые микропроцессорные

системы.

Технические и социальные последствия интеграции коммуникаци-

онных и компьютерных технологий столь значительны, что специали-

сты сравнивают этот процесс со слиянием двух половинок ядерного

заряда в атомной бомбе. В результате в последние несколько лет мы

наблюдаем информационной взрыв невиданной силы. Сотовые телефо-

ны, интернет

, пластиковые деньги, электронная торговля, дистанцион-

ное образование – первые проявления этого необыкновенного явления.

Символом неразрывного единства связи (телекоммуникаций) и ин-

форматики в современном мире является рождение нового термина

«телематика (telematics)», который все чаще мелькает на страницах

специальных изданий. Преломляясь в различных областях применения,

это слово породило, в свою очередь, такие словосочетания, как «меди-

цинская телематика», «автомобильная телематика» и т.п.

Поскольку это слово для русского языка новое, возникает дискуссия о его право-

писании – с заглавной или строчной буквы. Следуя многим авторитетным интернет-

изданиям (см. «Комментарии и ссылки на источники»), мы считаем написание с

маленькой буквы более соответствующим современной языковой тенденции и

впредь будем его придерживаться.

22 ВВЕДЕНИЕ

Выводы

1. Прародителем информатики является кибернетика, основанная

американским математиком Норбертом Винером, опублико-

вавшим в 1948 году одноименную книгу. Основоположником

советской школы кибернетики и информатики признан профес-

сор МГУ Алексей Андреевич Ляпунов.

2. Слово «информатика» для обозначения комплекса компьютер-

ных наук было введено в словарь русского языка в 1976 году

академиком Андреем Петровичем Ершовым.

3. Несмотря на широкую распространенность термина «информа-

тика», у специалистов до сих пор нет единого мнения о его тол-

ковании. Существуют три подхода:

• сверхширокий, включающий в информатику все, что связа-

но с любыми процессами получения, преобразовании и пе-

редачи информации;

• широкий, включающий в информатику все, что связано с

компьютерами, в том числе вопросы конструирования вы-

числительной техники;

• узкий, определяющий информатику только как науку о

применении компьютеров, то есть как науку о компьютер-

ных технологиях.

Для профессионального употребления автор рекомендует руко-

водствоваться узким подходом, выделяя в самостоятельные

науки кибернетику, вычислительную технику и информатику.

4. Возникновение информатики во второй половине XX столетия

не является случайностью. Компьютер и электросвязь – два за-

кономерных продукта и инструмента информационной револю-

ции, знаменующей переход от индустриальной к постиндустри-

альной (информационной) эпохе в истории человечества.

Комментарии и ссылки на источники

Дискуссии о терминологии, в том числе об определении названий

тех или иных дисциплин, являются излюбленными в ученой среде. Ко-

гда речь идет о такой молодой науке, как информатика, они неизбежны.

Как говорится, два ученых – три мнения. Мне попадались целые кол-

лекции определений информатики, насчитывающие не менее двадцати

ВВЕДЕНИЕ 23

формулировок. Я попытался аргументировать свою точку зрения, осно-

ванную на самых простых исторических и практических соображениях.

Возможно, кому-то она покажется неубедительной, в качестве оправда-

ния я сошлюсь на такой эпизод.

Много лет тому назад для молодых преподавателей Томского госу-

дарственного университета, к числу которых тогда принадлежал и я,

был организован курс по педагогике высшей школы. Лекции читал

профессор Санкт-Петербургского (тогда Ленинградского) университета

В.И. Лир. Кстати сказать, они были настоящим шедевром преподава-

тельского мастерства, наглядным пособием на тему «как читать лек-

ции». Так вот, на одном из занятий был задан вопрос: «Какую точку

зрения на предмет должен излагать лектор, если по данному вопросу их

несколько и нет общепринятой?» Владимир Иванович, не задумываясь,

ответил: «Свою». Слушатель не унимался: «Ну, а если у него нет собст-

венной точки зрения?» – «Тогда ему нечего делать на преподаватель-

ской кафедре!»

Рассуждения о периодической смене технологических эпох и вол-

нах технологических революций встречаются у многих ученых. По-

видимому, к настоящему времени они с наибольшей полнотой опубли-

кованы в очень интересной и легкой для чтения книге известного аме-

риканского философа и социолога Элвина Тоффлера [35], переведенной

на русский язык в 1999 году. В отечественной науке пионерская работа

в этой области принадлежит Г.Р. Громову, книга которого [13] в свое

время наделала много шума. Насыщенная множеством цифр, фактов,

эта фундаментальная работа, написанная на гребне микропроцессорной

революции на Западе и заре перестройки в России, открыла глаза отече-

ственному читателю на состояние мирового компьютерного рынка и

его ужасающее отставание в нашей стране.

Приведенный нами график вовлеченности трудящихся в различные

сферы деятельности носит качественный характер. Для различных

стран (развитых, развивающихся) цифры могут сильно различаться.

Интеграция вычислительной техники и средств связи в последнее

время становится такой тесной, что многие журналы их уже не разде-

ляют. Об этом свидетельствуют хотя бы названия изданий типа «Ком-

пьютеры и связь».

По поводу написания слова «интернет» в настоящее время нет одно-

значного мнения. Хотя современный орфографический словарь полагает

24 ВВЕДЕНИЕ

его именем собственным и предлагает написание с заглавной буквы,

многие специалисты в области русского языка считают, что в соответст-

вии с языковой тенденцией правильнее считать его именем нарицатель-

ным, писать со строчной буквы и склонять как существительное мужско-

го рода: интернет, интернета, интернету и т.д. В прошлом аналогич-

ных примеров было много. Когда-то слова метрополитен, аспирин, тер-

мос, эскалатор, унитаз, плексиглас, диктофон, ксерокс, керосин, рапидо-

граф, кульман, вазелин и многие другие тоже были фирменными марками

и писались с заглавной буквы, а сейчас это никому и в голову не придет.

В результате дискуссии, развернувшейся в интернете в 2001 году (см.

http://www.redactor.ru/express/i.shtml),

ряд популярных

сетевых изданий пришли к выводу, что такое написание отражает язы-

ковую тенденцию. В качестве корпоративного стандарта написание со

строчной буквы уже приняли Яndex, Algorithm Group, Art.Lebedev

Group, «Контент-лаборатория», журнал «Internet» и др. Такого же мне-

ния придерживается одна из самых старых и авторитетных российских

общественных организаций – «законодатель мод» в сфере российского

интернета РОЦИТ (Региональная общеcтвенная организация «Центр

интернет-технологий»), сайт которой находится по адресу

http://www.rocit.ru.

§ 1.1] . 25

Глава 1. Доэлектронная история

вычислительной техники

Современная история вычислительных машин (теперь принято го-

ворить – компьютеров) насчитывает чуть больше пятидесяти лет, одна-

ко у этой истории есть предыстория длиной в несколько веков. Никакие

великие изобретения не рождаются на пустом месте, у них всегда есть

предшественники и прародители. Знание истории науки и техники не-

обходимо не только для общей культуры. Известно, что прогресс идет

по спирали и все новое – хорошо забытое старое. В будущих поколени-

ях компьютеров непременно реализуются (разумеется, на новой науч-

но-технической базе) идеи, не нашедшие достойного воплощения де-

сятки лет назад.

Наш обзор доэлектронной истории вычислительной техники будет

очень кратким и лишенным очень многих интересных и живописных

деталей. Интересующихся этим вопросом более глубоко мы отсылаем к

прекрасным руководствам (см. «Комментарии и ссылки на источники в

конце главы»), а здесь осветим лишь принципиальные, узловые собы-

тия истории, цепь которых даст возможность понять, что создание со-

временного компьютера – не чудо сверхъестественных сил, а законо-

мерный результат технического творчества поколений ученых и конст-

рукторов.

§ 1.1. Общий исторический фон

Могла ли быть электронная вычислительная машина (ЭВМ) по-

строена в XVIII или XIX веке? Конечно, нет, потому что тогда не было

соответствующей элементной базы: радиолампы и транзисторы изобре-

тены значительно позже. Всякое устройство, в том числе вычислитель-

ное, существует не само по себе, а в определенном окружении, техноло-

гическом контексте, на фоне общего уровня техники своего времени.

26 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ [ГЛАВА 1

На рисунке изображены основные события истории вычислитель-

ной техники, о которых мы будем говорить позже, привязанные к ос-

новным технологическим эпохам.

В истории вычислительной техники можно выделить четыре эпохи.

Домеханическая эпоха – с древнейших времен до середины

XVII века. Элементную базу вычислительных устройств тех лет состав-

ляли подручные предметы – камешки, палочки и т.п. Величайшие дос-

тижения домеханической эпохи – счеты и логарифмическая линейка.

Механическая эпоха. XVII и XVIII века – время расцвета точных

механических устройств. Часы, механические игрушки, приборы тех

лет до сих пор поражают воображение. Именно в это золотое для меха-

ники время были созданы первые конструкции вычислительных машин

– суммирующая машина Паскаля и арифмометр Лейбница. Вершина

механической эпохи – аналитическая машина Бэббиджа, по смелости

инженерных решений на столетие опередившая свое время. Однако,

несмотря на все свое совершенство, машина Бэббиджа проектировалась

как чисто механическая, приводимая в движение небольшим паровым

двигателем.

Электромеханическая эпоха. В 1800 году итальянский ученый

Алессандро Вольта (Volta, Alessandro; 1745–1827) изобрел химический

Механическая эпоха Электромеханич.

эпоха Электронная эпоха

1600 г. 1700 г.

1800 г. 1900 г.

2000 г.

1642

Первая вычисли-

тельная машина

(Паскаль)

1673

рифмометр

(Лейбниц)

1887

Табулятор

(Холлерит)

1941

Первая работающая

программно-управляемая

машина

(Цузе)

1944

Машина

MARK-I

(Айкен)

1820-1834

Проекты разностной и аналитической

машин

(Бэббидж)

Основные события доэлектронной истории вычислительной техники

§ 1.1] ОБЩИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ФОН 27

источник тока – прообраз современных батареек, наступивший XIX век

стал веком электричества. Были построены электрические генераторы и

двигатели, пришедшие на смену паровым машинам; параллельно стала

развиваться слаботочная электротехника, начало которой положил аме-

риканский физик Джозеф Генри (Henry, Joseph; 1797–1878), предло-

живший в 1831 году конструкцию электромагнитного реле. Сначала

электромеханические элементы были очень ненадежными и неподхо-

дящими для построения сложных приборов, но уже в конце XIX века

появилась техническая возможность превратить чисто механические

вычислительные устройства в электромеханические, в которых переда-

ча сигналов осуществлялась не рейками и шестеренками, а импульсами

тока. Начало электромеханической эпохи отмечено изобретением табу-

лятора Холлерита, а конец – релейными вычислительными машинами

типа MARK.

Электронная эпоха. Царство электромеханики в вычислительной

технике было недолгим – меньше столетия. В начале XX века были

изобретены первые электронные приборы – радиолампы. Вакуумный

диод предложен в Великобритании в 1904 году Джоном Флемингом

(Fleming, John Ambrose; 1849–1945), триод – в США в 1906 году Ли де

Форестом (DeForest, Lee; 1873–196). Электронные лампы стали приме-

няться во всех радиотехнических устройствах, однако их использование

в вычислительной технике стало возможным лишь после изобретения

триггера – радиосхемы с двумя устойчивыми состояниями, которая

пришла на смену электромагнитному реле. Триггер был создан в

1918 году русским радиотехником Михаилом Александровичем Бонч-

Бруевичем (1888–1940), на его основе в 20-х и 30-х годах были по-

строены основные составляющие вычислительной техники – регистры,

счетчики, логические схемы. Таким образом, к 40-м годам была создана

элементная база электронной вычислительной техники, и вскоре была

построена первая работающая ЭВМ ENIAC.

Радиолампы тысячекратно ускорили работу вычислительных уст-

ройств, но очень скоро стали ощущаться их принципиальные недостат-

ки: низкая надежность, громоздкость и большое потребление энергии.

Ламповые компьютеры 50-х годов насчитывали десятки тысяч логиче-

ских элементов, и это был естественный предел их сложности, так как

более громоздкие конструкции просто невозможно заставить работать.

Но вот на смену радиолампам в конце 50-х годов пришли транзисторы,

которые со временем становились все меньше и меньше. Наступила

28 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ [ГЛАВА 1

пора микроэлектроники, когда были практически сняты ограничения на

сложность электронных устройств: современные микросхемы насчиты-

вают миллионы дискретных элементов. Технологический прорыв

70-х годов оказался столь существенным, что его назвали микропроцес-

сорной революцией (краткую хронику микропроцессорной революции

мы рассмотрим в главе 2). Эта революция продолжается и по сей день,

число транзисторов в одной микросхеме продолжает удваиваться каж-

дые полтора-два года (так называемый закон Мура), как долго так будет

– пока неизвестно.

Вместе с тем микропроцессорная революция не означает смену тех-

нологической эпохи. Микросхемы, как бы не росла их сложность, со-

стоят из тех же самых активных базовых элементов – электронных

транзисторов. А транзистор – он и есть транзистор, даже если размеры

его измеряются долями микрона. Новая, постэлектронная эпоха насту-

пит тогда, когда на смену транзисторам придут принципиально новые

активные элементы. Прогнозы на этот счет самые разнообразные.

Большинство ученых склоняется к тому, что элементная база будущих

компьютеров будет оптической, более радикальные говорят о биологи-

ческих элементах, но пока все это – лишь футуристические рассужде-

ния. Жизнь показывает, что долгосрочное прогнозирование научно-

технического прогресса – вещь ненадежная.

Таков в общих чертах технико-исторический фон, на котором про-

исходило и происходит создание вычислительной техники. Теперь об-

ратимся к конкретным фактам.

§ 1.2. Простейшие цифровые вычислительные

устройства – абак и счеты

Самыми важными арифметическими операциями с точки зрения

образованного человека Древнего мира – купца или сборщика налогов –

были сложение и вычитание. Трудно представить себе, как с ними мог-

ли бы справиться, скажем, римляне, пользуясь только принятой у них

непозиционной системой счисления. Попробуйте, например, решить

такую простенькую задачку с римскими цифрами:

MCMXCVI + CCLXIV = ?

К счастью, уже древние римляне располагали простейшим приспо-

соблением для ускорения счета, основанным на позиционной системе

счисления, который назывался абак. Абак представляет собой дощечку,

§ 1.3] ЛОГАРИФМИЧЕСКАЯ ЛИНЕЙКА И ЕЕ ПОТОМКИ 29

разделенную вертикальными перегородками

на несколько отделений, соответствующих

отдельным разрядам числа в позиционной

системе счисления. В отделениях помеща-

лись камешки (по латыни «камешек» –

«calculus», отсюда происхождение слов

«калькуляция», «калькулятор»). Число их в

отделении равно значению разряда и может

меняться (в десятичной системе счисления)

от 0 до 9. Сложение чисел производится путем поразрядного добавле-

ния камешков, при переполнении отделения оно

очищается и делается перенос единицы в следую-

щий разряд. Вот и все – просто и быстро. Единст-

венное неудобство – камешки легко рассыпаются и

могут потеряться при переноске.

Арабские купцы разнесли абак по всему миру.

Практичные китайцы нанизали камешки на спицы,

вставили их в деревянную раму и повернули все на

90 градусов. В таком виде абак в XVI веке попал в

Россию и стал называться русскими счетами

. Про-

шло более 400 лет, а счеты на Руси и ныне кое-где

в ходу.

§ 1.3. Логарифмическая линейка и ее потомки –

аналоговые вычислительные машины

Если спросить молодого человека, живущего в конце XX века, что

он думает о науке и технике XVII века, он, скорее всего, высокомерно

выскажется о «первобытном и примитивном» уровне развития. И будет

абсолютно не прав, так как XVII век – одна из высочайших вершин че-

ловеческого гения. Шекспир и Бах, Ньютон и Паскаль, Лейбниц и Де-

карт – все это XVII век. В этом веке были сделаны великие географиче-

ские открытия, заложены основы современной физики и математики,

сооружены грандиозные здания вроде собора св. Павла в Лондоне, изо-

бретены телескоп, микроскоп, термометр, барометр, придуманы лога-

рифмы и построены первые механические вычислительные машины.

В английском языке счеты до сих пор называются abacus.

Древнеримский абак

Русские счеты

30 ДОЭЛЕКТРОННАЯ ИСТОРИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ [ГЛАВА 1

В этом параграфе мы поговорим о лога-

рифмической линейке, которая появилась в

первой трети XVII века, вскоре после того, как

в 1614 году шотландский барон Джон Непер

(Nepier, John; 1550–1617) опубликовал свою

первую книгу «Magnifici logarithmorum

cannonis discriptio – Описание удивительных

таблиц логарифмов». Я надеюсь, читатель еще

представляет себе логарифмическую линейку,

которая более трех веков верой и правдой слу-

жила бесчисленным поколениям ученых и ин-

женеров, студентов и

школьников. Даже ко-

гда появились элек-

тронные калькуляторы,

многие инженеры предпочитали пользоваться

испытанным и надежным помощником – ли-

нейкой. Рассказывают, что автор проекта остан-

кинской телебашни инженер Н.В. Никитин (вы-

пускник Томского политехнического институ-

та) все расчеты сделал на логарифмической ли-

нейке. Когда об этом узнали руководящие това-

рищи (дело было в 1960-е годы), они всполо-

шились, работу остановили и заставили

перепроверить вычисления на компьюте-

рах. Но все оказалось в порядке, – и баш-

ня, как видим, стоит до сих пор, несмотря

на произошедший в ней в 2000 году

большой пожар.

Принцип действия логарифмической

линейки основан на основном правиле

логарифмов:

log(a•b) = log(a) + log(b),

что позволяет заменить операцию умно-

жения сложением, а операцию деления – вычитанием. Само же сложе-

ние (вычитание) производится путем простого перемещения двух реек с

нанесенными на них одинаковыми логарифмическими шкалами.

Логарифмическая

линейка

Джон Непер

(1550–1617)