Основы программирования и информатика

1.3. Единицы измерения информации

Для автоматизации работы с данными, относящимся к различным типам, очень важно унифицировать их форму представления – для этого обычно используют приём кодирования, т.е. выражение данных одного типа через данные другого типа. Своя система существует и в вычислительной технике (ВТ); она называется двоичным кодированием и основана на представлении данных последовательностью всего двух чисел: 0 и 1. Эти знаки называются двоичными цифрами, по-английски —binary digit или сокращённо bit (бит).

Одним битом могут быть выражены два устойчивых состояния, например, два символа: 0 или 1 (да или нет, чёрное или белое, истина или ложь и т.п.). Если количество битов увеличить до двух, то уже можно выразить четыре различных состояния: 00, 01, 10, 11, которым можно присвоить четыре конкретных понятия.

Единицей измерения (памяти) компьютерной информации служит восьмибитовое число, называемое байтом (byte), т.е. каждому символу соответствует последовательность из 8 бит, вида — 00000000, 00000001, ….., 01111111, 11111111. Байт – это 8 бит. С помощью 1 байта можно кодировать N = 2m = 28 = 256 различных символов. Таким образом, информация в компьютере – это последовательность единиц и нулей. Чтобы измерить больший объем информации, применяют более крупные единицы измерения информации.

Таблица 2 – Единицы измерения количества информации

Наименование

Обозначение

Размер

Бит

Бит

1 двоичный разряд

Байт

Байт

1 байт = 8 бит

Килобайт

Кбайт

1 Кбайт = 1024 байта

Мегабайт

Мбайт

1 Мбайт = 1024 Кбайта

Гигабайт

Гбайт

1 Гбайт = 1024 Мбайта

Терабайт

Тбайт

1 Тбайт = 1024 Гбайта

Надо заметить, что при переходе к более крупным единицам «инженерная» погрешность, связанная с округлением, накапливается и становится недопустимой, поэтому на старших единицах измерения округление производится реже. Байт, как группа взаимосвязанных бит, появился вместе с первыми образцами электронной вычислительной техники. Долгое время байт был машинно-зависимым, то есть для разных вычислительных машин длина байта была разной. Только в конце 60-х годов понятие байта стало универсальным и машинно-независимым. Во многих случаях целесообразно использовать не восьмиразрядное кодирование, а 16-разрядное, 24-разрядное, 32-разрядное и более. Группа из 16 взаимосвязанных бит (двух взаимосвязанных байтов) в информатике называется словом. Соответственно, группы из четырех взаимосвязанных байтов (32 разряда) называются удвоенным словом, а группы из восьми байтов (64 разряда) — учетверенным словом.

При хранении данных решаются две проблемы: как сохранить данные в наиболее компактном виде и как обеспечить к ним удобный и быстрый доступ (если доступ не обеспечен, то это не хранение). Для обеспечения доступа необходимо, чтобы данные имели упорядоченную структуру, а при этом образуется «паразитная нагрузка» в виде адресных данных. Без них нельзя получить доступ к нужным элементам данных, входящих в структуру. Поскольку адресные данные тоже имеют размер и тоже подлежат хранению, хранить данные в виде мелких единиц, таких, как байты, неудобно. Их неудобно хранить и в более крупных единицах (килобайтах, мегабайтах и т. п.), поскольку неполное заполнение одной единицы хранения приводит к неэффективности хранения.

В качестве единицы хранения данных принят объект переменной длины, называемый файлом. Файл – отдельная, логически связанная совокупность данных или программ, для размещения на внешних устройствах. На диске файл не требует для своего размещения непрерывного пространства, обычно он занимает свободные кластеры в разных частях диска.

1.4 История развития программирования и электронно-вычислительных машин

Программирование – молодая научная дисциплина, изучающая вопросы, связанные с поиском, сбором, хранением, преобразованием и использованием информации в самых различных сферах человеческой деятельности. Генетически программирование связана с вычислительной техникой, компьютерными системами и сетями, так как именно компьютеры позволяют порождать, хранить и автоматически перерабатывать информацию в таких количествах, что научный подход к информационным процессам становится одновременно необходимым и возможным.

До настоящего времени толкование термина «программирование» (в том смысле как он используется в современной научной и методической литературе) еще не является установившимся и общепринятым. Обратимся к истории вопроса, восходящей ко времени появления электронных вычислительных машин.

После второй мировой войны возникла, и начала бурно развиваться кибернетика как наука об общих закономерностях в управлении и связи в различных системах: искусственных, биологических, социальных. Рождение кибернетики принято связывать с опубликованием в 1948 г. американским математиком Норбертом Винером, ставшей знаменитой, книги «Кибернетика или управление и связь в животном и машине». В этой работе были показаны пути создания общей теории управления и заложены основы методов рассмотрения проблем управления и связи для различных систем с единой точки зрения. Развиваясь одновременно с развитием электронновычислительных машин, кибернетика со временем превращалась в более общую науку о преобразовании информации.

Под информацией в кибернетике понимается любая совокупность сигналов, воздействий или сведений, которые некоторой системой воспринимаются от окружающей среды (входная информация X), выдаются в окружающую среду (выходная информация У), а также хранятся в себе (внутренняя, внутрисистемная информация Z).

Развитие кибернетики в нашей стране встретило идеологические препятствия. Как писал академик А.И.Берг, «... в 1955-57 гг. и даже позже в нашей литературе были допущены грубые ошибки в оценке значения и возможностей кибернетики. Это нанесло серьезный ущерб развитию науки в нашей стране, привело к задержке в разработке многих теоретических положений и даже самих электронных машин». Достаточно сказать, что еще в философском словаре 1959 года издания кибернетика характеризовалась как «буржуазная лженаука». Причиной этому послужили, с одной стороны, недооценка новой бурно развивающейся науки отдельными учеными «классического» направления, с другой - неумеренное пустословие тех, кто вместо активной разработки конкретных проблем кибернетики в различных областях спекулировал на полуфантастических прогнозах о безграничных возможностях кибернетики, дискредитируя тем самым эту науку.

Развитие электронно-вычислительных машин можно разделить на несколько этапов или поколений. Каждый этап эволюции ЭВМ отличатся друг от друга математическим обеспечением и элементной базой.

Рассмотрим каждый этап эволюции ЭВМ.

1. Первый этап – 1945-1954 годы. Электронно-вычислительные машины созданы на основе электронных ламп, были экспериментальными устройствами и разрабатывались с целью проверки теоретических предположений.

Первым серийно выпускавшимся ЭВМ, разработанный Джоном Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспером Эккертом (J.Prosper Eckert), стал универсальный автоматический компьютер UNIVAC. Это было первое компьютерное устройство общего назначения, работа по созданию которого началась в 1946 году и завершилась в 1951 году. Универсальный компьютер UNIVAC умел выполнять сложение за 120 мкс, умножение за 1800 мкс, деление за 3600 мкс, а также сохранял 1000 слов, 12000 цифр. Магнитная лента несла информацию в 120тыс.слов и более 1 млн.цифр. Ввод и вывод информации осуществлялся с магнитной ленты, перфокарт и перфоратора. Первый экземпляр и был передан в Бюро переписи населения. Программное обеспечение электронных машин первого поколения состояло из стандартных программ.

К первому этапу относятся электронно-вычислительные машины: « ENIAC », «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. Такие устройства имели большой размер и занимали большую площадь в помещении, употребляли большое количество электроэнергии и состояли из множества электронных ламп. Быстродействие таких машин не превышало более 2-3 тыс.операций в секунду, а оперативная память была не более 2 Кбайт. Только в 1958 году ЭВМ «М-2» оперативная память была 4 Кбайта и быстродействие составляло примерно 20 тыс.операций в секунду.

2. Второй этап – 1950-60 гг. В качестве основного элемента используются полупроводниковые диоды и транзисторы вместо электронных ламп, а магнитные сердечники и барабаны применяются в качестве устройств памяти. Появилась возможность программирования на алгоритмических языках высокого уровня – это Кобол, Фортран, Алгол. Что позволило в значительной степени упростить и ускорить написание программ для электронно-вычислительных машин. Благодаря этому позволило уменьшить размеры и стоимость компьютерных устройств, которые стали впервые выпускаться для продажи.

К компьютерам второго поколения относятся: РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220, -222» и др.

Замена электронных ламп на полупроводниковые диоды и транзисторы привели к производительности до 30 тыс.операций в сек., и увеличении оперативной памяти до 32 Кб., уменьшению габаритов компьютеров и потреблении электроэнергии. На втором этапе эволюции ЭВМ появляется операционная система и, следовательно, расширилась сфера использования электронно-вычислительных машин. Компьютеры второго поколения уже использовались в управлении и планировании, а не которые фирмы применяли электронно-вычислительные машины в бухгалтерии.

3. Третий этап – 1970-80 гг. Создание ЭВМ третьего поколения служит разработка интегральных схем как целых устройств и узлов из сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника, которое получило в дальнейшем название микросхема. Также появляется полупроводниковая память, которая на данный момент используется в современных компьютерах в качестве оперативной памяти. Центральный процессор получил возможность работать и управлять параллельно многочисленными периферийными устройствами. Электронно-вычислительные машины уже могли обрабатывать одновременно несколько программ, что и привело к возможности работы разделения времени в диалоговом режиме, принцип мультипрограммирования. Теперь удаленные пользователи получили возможность оперативно взаимодействовать с компьютером, независимо друг от друга.

Начиная с создания ЭВМ третьего поколения, стали разрабатываться постоянно и серийные машины, не смотря на то что компьютерные устройства одной серии отличались друг от друга по производительности и возможностям, но были программно, информационно и аппаратно совместимы.

К третьему поколению ЭВМ относятся: «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046», «ЕС-1061», «ЕС-1066», «IВМ-370», «Электроника — 100/25», «Электроника — 79», «СМ-3», «СМ-4» и др. Производительно уже достигала от 500 тыс. до 2 млн. операций в сек., объем оперативной памяти составлял от 8Мб до 192 Мб.

Между тем количество соединений и элементов в одной микросхеме постоянно росло и в 70-х гг. интегральные схемы уже состояли из тысячи транзисторов. Что и позволило объединить компании Intel большинство компонентов компьютерного устройства, тем самым создав и выпустив первый микропроцессор, который предназначался только для калькуляторов.

Тем самым в 1969 году появились первая глобальная компьютерная сеть, операционная система Unix и язык программирования С, который оказал огромное влияние на программный мир и по сей день сохранило свое передовое положение.

4. Четвертый этап – 1975-1985 гг. Начиная с середины 70-х гг. XX века картина смены поколений начинает нарушаться, все меньше становиться инноваций в компьютерной сфере, прогресс остановился на повышении мощности и миниатюризации элементной базы и самих электронно-вычислительных машин.

С 1975 года считается периодом создания ЭВМ четвертого поколения, элементной базой, которых стали большие интегральные схемы – СБИС. Быстродействие таких ЭВМ выросло до десятков млн. операций в секунду, а оперативная память достигала более сотен Мб. Развитие электронно-вычислительных машин разделилось на два направления:

1. создание комплексов многопроцессорных компьютеров, то есть суперЭВМ;

2. дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микроЭВМ и персональных ЭВМ.

5. Пятый этап – 90-е гг. XX века. Разработка программного обеспечения пятого поколения ЭВМ была принята в 1982 году в Японии, и предполагалось к 1991 году создать принципиально новые компьютеры, которые будут решать задачи искусственного интеллекта. Планировалось с помощью языка Пролог и инноваций в конструкции компьютеров вплотную подойти к решению основной задачи компьютерной науки – это хранение и обработка информации. Предполагалось, что элементной базой будут служить не интегральные схемы СБИС, а созданные на их базе устройства искусственного элемента. Собирались использовать оптоэлектронику и биопроцессоры для увеличения памяти и быстродействия. Однако японский проект компьютеров пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области.

Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации – это фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.

Современные персональные компьютеры в соответствии с принятой классификацией надо отнести к ЭВМ четвертого поколения, но так как быстро развивается программное обеспечение, многие авторы публикаций относят их к 5-му поколению.

Фирма IBM обратила внимание на персональные компьютеры, когда рынок "вырос из пеленок". К 1980 году только в США уже было продано более миллиона персональных компьютеров, и тогда маркетологи предсказывали большой рост спроса. в тоже время свои модели представили десятки компаний. Каждый производитель разрабатывал собственную архитектуру компьютера. Считалось, что наиболее перспективной архитектурой обладает компьютер PDP-11, разработанный компанией DEC. Технические решения этой компании легли в основу первых отечественных компьютеров «Электроника».

В 1989 г. был начат выпуск более мощного процессора 80486 с быстродействием более 50 млн. операций в секунду. В марте 1993 г. компания Intel продолжает ряд 80х86 выпуском микропроцессора Р5 "Pentium" с 64-разрядной архитектурой. Потом были "Pentium 2", "Pentium 3". Сегодня самым популярным микропроцессором является "Pentium 4" с нанотехнологией, позволяющей обрабатывать информацию по двум параллельным потокам, т.е. получать как бы два процессора.

Тактовые частоты современных ПК превышают 3 ГГц, объёмы основного запоминающего устройства до 4 Гб. Емкость накопителей на жестких дисках выросла до несколько Тб. Современные технологии позволяют на персональных компьютерах прослушивать и записывать высокачественные ауди-файлы. Применение DVD-приводов обеспечивает просмотр современных фильмов.

Широкое распространение получили сегодня переносные персональные компьютеры - nootbook, карманные компьютеры (КПК) и мобильные компьютеры - смартфоны, планшеты, которые объединяют функции компьютера и телефона.

Компьютер нельзя представить без программного обеспечения. Как архитектура IBM PC стала стандартом для аппаратной части персонального компьютера, так и продукция фирмы MicroSoft, создатель Билл Гейтс, стала эталоном для программ. Особенно популярны ее операционные системы Windows и офисные приложения MS Office.

Таблица 3 – История развития ЭВМ

Поколения ЭВМ

I

II

III

IV

Годы применения

1946-1958

1959-1963

1964-1976

1977—...

Элементная база

Эл. лампа, реле

Транзистор, параметрон