Водовозов В.М, Водовозов A.M. Введение в вычислительную технику и компьютерные технологии: Учебное пособие.-

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования Российской Федерации

Вологодский государственный технический университет

В.М. Водовозов, А.М. Водовозов

ВВЕДЕНИЕ

В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНУЮ ТЕХНИКУ И

КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Рекомендовано учебно-методическим объединением вузов по

университетскому политехническому образованию в качестве учебного

пособия для студентов направлений 552800 и 644600

«Информатика и вычислительная техника»

Вологда

2001

ББК 32.973

УДК 681.3.016(018)

В62

Рецензенты:

Доктор техн. наук, профессор Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета

Соколовский Г.Г.,

доктор техн. наук, директор Череповецкого научно-координационного центра РАН Малыгин Л.Л.,

кафедра прикладной математики Вологодского государственного педагогического университета

(заведующий кафедрой доктор физ. мат. наук, проф. Зейфман А.И.)

Водовозов В.М, Водовозов А.М.

В62 Введение в вычислительную технику и компьтерные технологии: Учебное

пособие.- Вологда: ВоГТУ, 2001. -181 с.

ISBN 5-87851-137-1

Учебное пособие предназначено для студентов направлений 552800 и

644600 «Информатика и вычислительная техника», выбравших компьютер и

компьютерные технологии объектом своей профессиональной деятельности. Много

информации в нем могут найти и и студенты родственных специальностей и

многочисленные пользователи персональных компьютеров, самостоятельно

познающие мир компьютерной техники.

ББК 32.973

УДК 681.3.016(018)



Вологодский государственный

технический университет, 2001



Водовозов В.М., Водовозов А.М.,

2001

ISBN 5-87851-137-1

ВВЕДЕНИЕ

На студентов направления «Информатика и вычислительная техника»,

выбравших компьютер объектом своей профессиональной деятельности, в первую

очередь рассчитано это учебное пособие. В его основе лежат базовые понятия

информатики, а теоретическая сторона большинства вопросов "погружена" в

прикладное окружение. Студенту предоставляется возможность взглянуть на

компьютер с удобной ему позиции, часто не формализованной, но понятной и

практичной.

От понятия информации - к компьютерным системам; от транзисторов –

сверхбольшим интегральным схемам; от логических элементов - к массово-

параллельным и векторно-конвейерным су перкомпьютерам, от изобретений

Шиккарда и Паскаля до достижений компаний

IBM, AT&T, Hewlett-Packard,

Compaq, Acer, Sony.....

Такой путь предлагается студентам, знакомящимся с этим

пособием. Из-за ограниченного объема книги авторы не смогли отразить в ней всех

теоретических аспектов дисциплины. Но материал сотен монографий, очерков,

статей в отечественных и зарубежных журналах и газетах, публикаций в Internet,

проспектов и каталогов, рекламных сообщений, посвященных различным аспектам

информатики, использованый в нем, должен помочь лучше понять всю

совокупность проблем и достижений современной информатики и вычислительной

техники.

1. ИНФОРМАТИКА

1.1. Информационные модели

Откуда мы пришли? Куда свой держим

путь?

О. Хайям. «Рубаи»

Мы живем одновременно в двух мирах. Первый мир реален, и эта

реальность воспринимается всеми нашими органами чувств. В нем есть место

светлому и темному, твердому и мягкому, громкому и тихому, душному и

ароматному, сладкому и соленому, радостному и грустному… Но, будучи частицей

природы и естества, человек погружен еще и в мир информационный. Информация

– это сведения об окружающем нас реальном мире, представленные разного рода

знаковыми системами. Информация обособляет сообщество людей в отдельную

категорию представителей реального мира, выделяя его из животной и

растительной среды и объединяя между собой. Знаки моделируют реальные

явления и процессы, выражая отношение к ним человека и устанавливая связь

между людьми через эти отношения. Знаковая система, представляющая и

организующая информацию, регламентирующая нормы и характер взаимодействия

знаковых потоков, называется языком.

Среди миллионов знаков, которыми обмениваются люди – звуков и жестов,

световых и электромагнитных сигналов, - выделяется особая группа. Это символы,

способные передавать информацию сквозь время. Символьные изображения

характернее, чем любая другая информация, выделяет человека в мире природы,

позволяя устанавливать связь между поколениями. Личность приходит и уходит, а

оставленные ею символы остаются, чтобы быть прочитанными и понятыми

современниками и потомками. Каждый символ представляет организованное

множество пространственных точек и линий, формируемых разнообразными

инструментами. Чем больше таких изобразительных элементов и богаче их

организация, тем шире возможность отразить в символе реальность во всем

богатстве ее проявлений. Из-под резца мастера и кисти художника, из студии

скульптора и лаборатории фотографа выходят бессмертные образы мира, которому

он принадлежит.

Изобразительные средства всегда ограничены во времени и пространстве

возможностями инструмента, свойствами материала, способностями творца. Чем

выше потребность в передаче сведений и больше ограничений на ее реализацию,

тем лаконичнее символ и значимее каждая его точка и линия. А значит, между

автором и получателем информации возникают новые отношения, связанные с

пониманием (расшифровкой, интерпретацией) поступающих символов. И требуется

время, в течение которого их надо хранить и преобразовывать. Жить в мире

информации - значит участвовать в четырех категориях

информационных

процессов

, связанных с непрерывным

восприятием

хранением

переработкой

передачей

сведений. Каждый отдельный поток воспринятой, сохраненной,

обработанной и переданной информации образует

сообщение

. Символьные

сообщения называют

документами

Связь знака и значения, символа и явления раскрывается через образование.

Любая образовательная система нацелена на обучение пониманию, созданию и

использованию максимально широкой гаммы таких связей. Большая часть

образовательной деятельности посвящена языкам и освоению погруженных в них

информационных процессов. Собственно

лингвистика

как наука о языках

рассматривает в качестве элементарных информационных единиц не любые, а лишь

зарегистрированные в конкретной языковой системе основные (терминальные) и

вспомогательные (нетерминальные) символы. Терминальные символы

объединяются в

алфавиты

(азбуки), а символьные последовательности,

принадлежащие одному алфавиту, называют

цепочками

лексемами

или

словами

данного алфавита. В составе языка присутствует множество цепочек алфавита. Из

терминалов и слов строится

словарь

- структура данных, обеспечивающая доступ к

информации по

имени

естественных языках

цепочки терминальных символов имеют

фонетические эквиваленты.

Искусственные языки

обычно не несут фонетической

окраски. Каждый такой язык создавался как модель некоторого естественного

языка, удобная для реализации в определенной технической системе. Эта «модель

модели» имеет еще более абстрактную природу и еще более далека от реальных

прототипов, чем обычный язык символов. Вероятно, по этой причине

искусственный язык было бы еще сложнее понять, если бы не «инженерная»

природа его появления. Язык, созданный для техники, интерпретируется самой

техникой, и чем выше «интеллектуальный» уровень машины, тем ниже требования

к интеллекту ее пользователя.

Наиболее совершенные технические средства строятся на базе

компьютеров

. Компьютерные

информационные ресурсы

включают в свой состав

аппаратное, математическое и технологическое обеспечение для физической,

логической и организационной реализации информационных процессов.

Информатика

– это наук а о компьютерном сопровождении информационных

процессов. В своей работе компьютеры оперируют

данными

- специальными

наборами символов, моделирующими информацию. Как и любая модель, данные не

полностью отражают реальный мир, но сохраняют главное – сведения о тех его

явлениях и процессах, которые существенны с позиции решения конкретной

проблемы, ради которой создается компьютерная система.

1.2. Немного истории

Как в прошедшем грядущее зреет,

Так в грядущем прошлое тлеет…

А. Ахматова

Основы информационной теории и техники были заложены в XIV веке. В.

Шиккард из Тюбингенского университета в 1623 г. предложил агрегат, состоявший

из суммирующего и множительного устройств. Машина Б. Паскаля, построенная в

1642 г ., могла складывать и вычитать; она демонстрировалась в Люксембургском

дворце как величайшее достижение человеческой мысли, о ней сочинялись стихи и

легенды. А в 1673 г. немецкий математик и философ Г. Лейбниц представил в

Парижскую академию вычислитель, выполнявший четыре действия арифметики.

Ч. Бэббидж, профессор Кембриджского университета, в 1812-1823 годах

построил разностную машину. В ее конструкции впервые был реализован принцип

программного управления вычислительным процессом. В 1835 г. Бэббидж создал

проект аналитической машины, состоящей из "склада", "мельницы" и

"управляющего". Фрагмент такого вычислителя построил сын ученого, а

программы для него готовила Ада Лавлейс (Байрон).

Наследниками первых проектов вычислительной техники во второй

половине XIX в. стали арифмометры, в которых числа определялись положением

зубчатых колес. Партию таких приборов изготовил немецкий инженер К. Томас.

Механизмы арифмометров были исследованы академиком П.Л. Чебышевым, и им

же был изобретен эпициклический механизм с плавным переносом разрядов,

впоследствии использованный американской фирмой

Merchent

в серийных

вычислителях и представленный сегодня в Музее истории Санкт-Петербурга. В

1880 г. Г. Холлерит сконструировал электромеханический перфокарточный

табулятор, применявшийся при обработке результатов переписи населения в США

и в России. Первую компанию по производству клавишных арифмометров открыл в

1885 г. У. Бэрроуз.

Известный механик А.Н. Крылов в своих "Лекциях о приближенных

вычислениях" привел описание различных механических систем для вычисления

интегралов и гармонического анализа. В 1911 г. он построил уникальный

аналоговый решатель дифференциальных уравнений, а позднее предложил

механический интегратор. В 1919 г. академик Н.Н. Павловский изобрел аналоговую

вычислительную машину.

В 1936 г. английский математик А. Тьюринг опубликовал доказательство

того, что любая последовательность математических и логических действий может

быть реализована дискретным автоматом. Он предложил абстрактную схему такого

автомата, получившего название "машины Тьюринга" и положившего начало

теории автоматов. Этой разработкой была доказана возможность создания

универсального цифрового вычислителя. В том же 1936 г. независимо от Тьюринга

похожую идею абстрактного автомата опубликовал Э. Пост. Работы по созданию

цифровых вычислительных машин были начаты в 1936 - 1938 гг. немецким

инженером К. Зюсом, американским физиком Дж.В. Атанасовым и американским

математиком К. Шенноном. И уже в 1939 г. их земляком, инженером Дж.

Стибницем была создана релейная машина Bell, выполнявшая действия над

комплексными числами в двоично-пятеричной системе счисления, а Дж. фон

Нейманом - вычислитель Maniac. Тогда же У. Хьюлетт и Д. Паккард основали

компанию для производства компонент первых вычислителей.

Значителен вклад в развитие вычислительной техники американской фирмы

IBM

, основанной еще в 1911 г. на базе фирмы Г. Холлерита для производства весов,

регистраторов времени и табуляторов. В 1944 г. по проекту Г. Айткена здесь был

собран из 150000 деталей и 35000 м провода дискретный вычислитель. Спустя 12

лет этой фирмой был предложен первый алгоритмический язык Форт ран, а в

настоящее время – это ведущая мировая компания, поставляющая компьютеры,

системы связи и программное обеспечение.

В 1945 г. В. Буш, руководивший научной деятельностью военных ведомств

Америки, привлек внимание общественности к проблеме растущего объема

научных исследований. Он указал на то, что научного работника "ошеломляют

открытия и заключения, сделанные тысячами других специалистов и появляющиеся

с такой скоростью, что их невозможно ни осознать, ни, тем более, запомнить". Речь

шла не просто о больших объемах данных, получаемых в ходе исследовательских

работ, а о гораздо более серьезной проблеме, касающейся всего процесса

использования накопленных человечеством знаний. Это явление получило название

информационного взрыва. Ответом на "взрыв" послужили первые компьютеры, или

ЭВМ.

Первый универсальный «вычислительный интегратор и калькулятор»

ENIAC сконструировали Д. Моучли и Дж. Эккерт в 1946 г. в Пенсильванском

университете. Собранный из 1 8000 вакуумных приборов, он имел массу 30 тонн и

занимал площадь 150 кв.м. Машина использовалась в проекте атомной бомбы и на

Абердинском испытательном полигоне работала до 1955 г. В 1948 г. в

Массачусетском университете был построен первый компьютер с памятью. В 1949

г. ламповый компьютер универсального назначения Mark 1 сконструировали

ученые Манчестерского университета, в 1 950 г. коммерческий вычислитель Mark 1

Star выпустила фирма

Ferranty

, в 1953 г. появилась IBM 701, а 1959-й год

ознаменовался рождением PDP 1 фирмы

DEC.

Истоком отечественной вычислительной техники считается первая

цифровая ЭВМ М20, созданная в 1949 г. На Украине начало развитию

вычислительных машин и электронной промышленности было положено в 1950 г.

малой электронно-счетной машиной МЭСМ С.А. Лебедева. Выполненная на базе

7500 ламп на площади в 64 кв.м, МЭСМ потребляла 25 кВт электроэнергии,

обеспечивая круглосуточную работу большого коллектива ученых с

производительностью 100 операций в секунду. В 1952 г. в России была выпущена

быстродействующая электронно-счетная машина БЭСМ на 4500 лампах,

выполнявшая до 10000 операций в секунду. Самой сложной в те годы считалась

двухпроцессорная машина 5Э2Б, а самой быстрой в мире к 1958 г. оказалась все та

же М20, развивавшая скорость вычислений 20000 операций в секунду. В 1967 г.

БЭСМ 6 достигла 1 млн. операций в секунду, благодаря впервые реализованным в

ней идеям параллелизма. Основанная позднее зеленоградская фирма «

•••••»

продолжила традиции БЭСМ машинами серий Эльбрус 1 (12 млн.) и Эльбрус 2

(100 млн. операций в секунду), Эльбрус 3, Элект роника ССБИС, Чегет.

Практически одновременно с рождением компьютеров возникла мысль о

связи их между собой. В 60-х годах появились первые вычислительные сети, а в

1979 г. Р. Метклаф, изобретатель сети Ethernet, основал первую фирму по

производству сетевого оборудования -

3COM.

В настоящее время разработкой и созданием информационных систем

занимаются крупнейшие мировые компании: в США:

American Telephone and

Telegraph (AT&T), Apple, Borland, Compaq, Dell, Hewlett Packard (HP), Intel,

International Business Machine (IBM), Lotus, Motorola, Microsoft, Novell, Oracle, Pick,

Sun, Symantec,

в Европе

Olivetty

(Италия),

Siemens Nixdorf Information

(SNI

)(Германия), в Юго -Восточной Азии

Toshiba

(Япония),

Aser

(Тайвань). В число

наиболее известных поставщиков информационных систем входят такие фирмы как

Bull

(США), имеющая пя ть подразделений на разных континентах,

Olivetty

(Италия), включающая более 200 компаний в 30 странах. В 70000 отделениях

Digital Equipment Corp.(DEC

, США) трудятся более 700000 человек, а

Pick Systems

(США), поставляет более 300000 программных систем трем миллионам

пользователей банков, почт, аэропортов.

Преобладающее число фирм в этом списке американские. И это не

случайно. Хотя свыше половины всех рабочих мест в мире включено в состав

компьтерных систем, абсолютное большинство новаций в информатике

осуществляется именно в США. В информационной сфере этой страны занято

более 60% трудоспособного населения, (в России в 1996 г. эта величина не

достигала 40%). С тех пор, как в 1975 г. была создана корпорация

Microsoft

имеющая сегодня представительства более чем в 30 странах мира и выпускающая

свои программные продукты более чем на 40 языках, свыше 10000 американских

организаций и 600000 человек посвятили свою деятельность разработке

компьютерных программ. В США сосредоточено примерно 40% мировых

вычислительных ресурсов, тогда как на европейский рынок приходится менее 30%,

на юго-восточную Азию – 25%, на Россию – менее 1%. Без компьютеров не

обходится ни одна сторона деятельности американцев. Они используются на работе

и отдыхе, в быту, образовании, спорте. На каждую американскую семью

приходится в среднем по одному компьютеру, причем каждая вторая ЭВМ

находится дома или в школе, тогда как в Москве в 1998 г. лишь 7% семей имели

компьютеры. Более половины всех работающих в США ежедневно используют

компьютер, в том числе - 60 - 90% всех "белых воротничков". Один только концерн

Microsoft

ежегодно вкладывает в науку 2 млрд. долларов, а он составляет лишь 9%

от

IBM

и еще меньшую часть от

AT&T.

Европейские компании стараются удержать "домашний" рынок. В

частности, крупнейший электронный концерн Европы - немецкая компания

Siemens

- инвестирует ежегодно более 2,5 миллиардов марок в разработку и

производство новых устройств памяти. Второй по величине электронный гигант -

голландский

Philips

бросает вызов американскому господству в производстве

средств вычислительной техники. Но, хотя в Германии, например, на двух

служащих в среднем приходится один компьютер и каждый третий человек во

Франции пользуется вычислительной техникой, сегодня лишь 12 из 100

лидирующих компаний-производителей вычислительной техники принадлежат

европейцам. В аналогичном положении находится Япония. В 1997 г. отставание

Японии и Европы от США в области информационных технологий составило около

10 лет.

В России в 1998 г. насчитывалось около пя ти миллионов персональных

компьютеров. Практически не имея собственной микроэлектронной базы –

«сердца» информационных технологий, – она отстает от Европы примерно на 15

лет и этот разрыв постоянно увеличивается. В 1997 г. затраты на информационные

технологии на душу российского населения были в 70 раз ниже, чем в США, и

почти в 35 раз меньше, чем в странах Западной Европы. Если же взять за показатель

долю аналогичных расходов от общего валового национального продукта, то в

России она составляет 0,5%, в то время как в Европе – 2%, а в США – 4%.

В настоящее время ведущие страны мира являются не только мощными

индустриальными государствами, но и гигантскими компьютерными державами.

Их главными стратегическими национальными ресурсами становятся информация и

компьютерные технологии. Объем мирового компьютерного рынка ежегодно

возрастает на 16 – 20%, а мирового компьютерного парка – на 80 – 100 миллионов

машин, причем 40% приходится на домашний сегмент. Число персональных

компьютеров в мире сегодня превышает число телевизоров или автомобилей. К

концу века оборот рынка услуг на информационных магистралях достиг трех

триллионов долларов. Темпы развития компьютерных технологий сейчас настолько

высоки, что мировые затраты на прием, хранение, переработку и передачу

информации уже превысили аналогичные расходы на энергетику, а уровень

радиоизлучения Земли неуклонно приближается к уровню излучения Солнца.

Нарушение работы компьютерных систем, используемых в управлении

государственными и банковскими структурами, способно нанести мировой

экономике настолько серьезный ущерб, что некоторые эксперты сравнивают его с

ущербом от применения ядерного оружия.

1.3. Вычислительные процессы и ресурсы

Мы любим все: и жар холодных числ,

И дар божественных видений.

А. Блок

Человек получает информацию через свои органы чувств при

непосредственном контакте с природой и техникой, общении с другими людьми, а

также из разного рода средств массовой информации - радио, телевидения,

печатных источников. Вся деятельность личности осуществляется в

глобальной

информационно й системе

, объединяющей средства, методы, персонал в реализации

процессов получения, хранения, обработки и передачи информации. Эта система

охватывает многочисленные информационные ресурсы - книги в библиотеках,

документы в архивах, фондах, банках данных. Ее обычно представляют в виде

комплекса информационного, технического, математического, программного,

организационного и правового обеспечения. Информационное обеспечение

образует систему классификации и кодирования, унифицированную документацию,

схемы информационных потоков и методологию организации сведений.

Техническое обеспечение охватывает комплекс информационной аппаратуры. В

состав математического и программного обеспечения входят математические

методы и модели, алгоритмы и программы, реализующие цели и задачи глобальной

информационной системы. Через организационное обеспечение осуществляется

взаимодействие персонала с техническими средствами и между собой.

Совокупность правовых норм, определяющих юридический статус участников

информационного обмена, относится к правовому обеспечению.

Под управлением и при участии компьютеров проходит значительная часть

информационных процессов. Группа наук, объединенная в направление

"Информатика и вычислительная техника", рассматривает множество связанных и

взаимодействующих информационных ресурсов в контексте

компьютерной

информационно й системы

. И объектом ее рассмотрения является не весь

окружающий мир, а конкретная

предметная область

, и не вся информация, а лишь

ее компьютерная модель – данные.

В центре внимания

вычислительной техники

лежат компоненты

информационных ресурсов, способные к самостоятельному участию в

информационных процессах. Каждый такой компонент может быть представлен на

трех уровнях: концептуальном, логическом и физическом. Первый уровень

базируется на понятиях человека о предметной области и обсуждается на

естественном языке общения пользователей между собой и, следовательно, понятен

большинству конечных пользователей. Второй уровень - уровень абстракции,

использующий языки программирования, математики и логики. Он доступен для

формального описания данных в документах, ввода их в компьютерную систему и

представления ее выходными устройствами. Третий уровень соответствует

реальному представлению данных в аппаратуре, т.е. электрическим сигналам,

электромагнитным полям, световым явлениям, сопровождающим информационные

процессы.

Персонал

вычислительной системы

представлен обычно тремя категориями

пользователей

. Эпизодически или регулярно в своем быту и трудовой деятельности

применяет

информационные средства

конечный пользователь

. Под ним

подразумевается как рядовой пользователь, так и обслуживающий персонал,

рассматривающие компьютер как вспомогательный инструмент или развлечение.

Пользователь прикладного уровня

не только применяет указанные ресурсы, но и

усовершенствует, развивает их в рамках своей профессиональной информационной

технологии, будь то конструктор, инженер или студент. К этому же уровню

относятся и профессионалы-непрограммисты, чья деятельность невозможна или

сильно затруднена без компьютера: служащие и ученые, операторы

производственных процессов, некоторые категории врачей, экономистов,

бизнесменов. Деятельность пользователя высшей категории -

системного

специалиста -

выходит за пределы каких-либо прикладных областей, за

исключением информатики. Как правило, он сопровождает информационную

систему или является создателем новых информационных ресурсов: системным

аналитиком, системным программистом и т.п.

Техническое обеспечение

, или аппаратура вычислительной системы,

охватывает устройства информационно-вычислительной техники и

телекоммуникации. Главными компонентами технического обеспечения являются

компьютер и подключенные к нему периферийные устройства. Кроме них, для

преобразования информации используются оборудование типографий и

телецентров, радиостанций и телефонных узлов, спутниковые, навигационные и

многие другие системы. Но лишь наличие

интерфейса

, т.е. комплекса технических

и программных средств сопряжения аппаратуры с магистралью компьютера,

является обязательным признаком принадлежности компонента к компьютерной

системе.

математическое обеспечение

входят программы, обрабатываемые ими

данные, языки и документация к ним. Каждая

программа

описывает

информационные процессы, на каком - либо языке программирования. Множество