Архитектура вычислительных машин
ЛЕКЦИЯ 2
Предмет и основные понятия информатики
Информатика - это комплексная, техническая наука, которая систематизирует приемы создания, сохранения, воспроизведения, обработки и передачи данных средствами вычислительной техники, а также принципы функционирования этих средств и методы управления ними. Термин "информатика" образован из двух слов: информация и автоматика. Этот термин введен во Франции в середине 60-х годов XX века, когда началось широкое использование вычислительной техники.
Появление информатики обусловлено возникновением и распространением новых технологий сбора, обработки и передачи информации, связанных с фиксацией данных на машинных носителях.
Предмет информатики как науки составляют:
– аппаратное обеспечение средств вычислительной техники;
– программное обеспечение средств вычислительной техники;
– средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения;
– средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами.
Средства взаимодействия в информатике принято называть интерфейсом. Поэтому средства взаимодействия аппаратного и программного обеспечения иногда называют также программно-аппаратным интерфейсом, а средства взаимодействия человека с аппаратными и программными средствами - интерфейсом пользователя.
Основной задачей информатики как науки является систематизация приемов и методов работы с аппаратными и программными средствами вычислительной техники. Цель систематизации состоит в том, чтобы выделять, внедрять и развивать передовые, более эффективные технологии автоматизации этапов работы с данными, а также методически обеспечивать новые технологические исследования.
Информатика - практическая наука. В составе основной задачи сегодня можно выделить такие основные направления информатики для практического применения:
– архитектура вычислительных систем (приемы и методы построения систем, предназначенных для автоматической обработки данных);
– интерфейсы вычислительных систем (приемы и методы управления аппаратным и программным обеспечением);
– программирование (приемы, методы и средства разработки комплексных задач);
– защита информации (обобщение приемов, разработка методов и средств защиты данных);
– автоматизация (функционирование программно-аппаратных средств без участия человека);
– стандартизация (обеспечение совместимости между аппаратными и программными средствами, между форматами представления данных, относящихся к разным типам вычислительных систем).
Достижения информатики должны проходить проверку на практике и приниматься в тех случаях, если они отвечают критерию повышения эффективности, которая является ключевым вопросом на всех этапах обеспечения информационных процессов.
Для аппаратных средств под эффективностью понимают соотношение их производительности и стоимости.
Для программного обеспечения под эффективностью принято понимать производительность работающих с ним пользователей.
В информатике всё жестко ориентировано на эффективность. Вопрос о том, как осуществить ту или другую операцию, для информатики важный, но не основной. Основным является вопрос - как выполнить данную операцию эффективно.
В рамках информатики, как технической науки можно сформулировать понятия информации, информационной системы и информационной технологии.
Рассмотрим подробнее эти три понятия.
Информация
Информация - это совокупность сведений (данных), которая воспринимается из окружающей среды (входная информация), выдается в окружающую среду (выходная информация) или сохраняется внутри определенной системы.
Например, если в качестве такой системы рассматривать человека, то входной информацией является все то, что воспринимается нашими органами чувств: зрение, слух, вкус, обоняние, осязание; выходная информация – это все то, что человек может высказать, написать, спеть, нарисовать и т.д., т.е. представить другим людям.
Информация существует в виде документов, чертежей, рисунков, текстов, звуковых и световых сигналов, электрических и нервных импульсов и т.п.
Важнейшие свойства информации:
– Объективность и субъективность. Более объективной является та информация, в которую на стадиях приема, передачи и обработки вносится меньший субъективный элемент, например, в результате наблюдения фотоснимка природного объекта или явления образуется более объективная информация, чем в результате наблюдения рисунка того же объекта, выполненного человеком, или, тем более, рассказа человека о нем.
– Полнота. Определяет достаточностьданных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся.
– Достоверность. Полезные данные обычно сопровождаются определенным уровнем «информационного шума». Если полезный сигнал зарегистрирован более четко, чем посторонние сигналы, достоверность информации может быть более высокой. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается. В этом случае для передачи того же количества информации требуется использовать большие объемы данных и более сложные методы отсечения шума.
– Адекватность. Это степень соответствия имеющейся информации реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Однако и полные, и достоверные данные могут приводить к созданию неадекватной информации в случае применения к ним неадекватных методов обработки.
– Доступность. Степень возможности получить ту или иную информацию. На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Отсутствие доступа к данным или отсутствие адекватных методов обработки данных приводят к одинаковому результату: информация оказывается недоступной.
Применение неадекватных методов для работы с данными приводит к появлению неполной, неадекватной или недостоверной информации.
– Актуальность. Это степень соответствия информации текущему моменту времени. Нередко с актуальностью, как и с полнотой, связывают коммерческую ценность информации. Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям.
Во время информационного процесса данные преобразовываются из одного вида в другой. Основными операциями преобразования (обработки) данных являются:
– сбор данных - накопление информации с целью обеспечения достаточной полноты для принятия решения;
– формализация данных - приведение данных, которые поступают из разных источников к единой форме;
– фильтрация данных - устранение лишних данных, которые не нужны для принятия решений;
– сортировка данных - приведение в порядок данных по заданным критериям с целью удобства использования;
– архивация данных - сохранение данных в удобной и доступной форме;
– защита данных - комплекс мер, направленных на предотвращение потерь, несанкционированных воспроизведения или модификации данных;
– транспортирование данных - прием и передача данных между отдаленными пользователями информационного процесса. Источник данных принято называть сервером, а потребителя - клиентом;
– преобразование данных - преобразование данных из одной формы в другую, или из одной структуры в другую, или изменение типа носителя.
Информационная система
В информатике понятие "система" чаще используют относительно набора технических средств и программ. Системой называют также аппаратную часть компьютера. Дополнение понятия "система" словом "информационная" отображает цель ее создания и функционирования.
Информационная система - взаимосвязанная совокупность средств и методов, используемая для сохранения, обработки и выдачи информации с целью решения конкретной задачи.
Современное понимание информационной системы предусматривает использование компьютера как основного технического средства обработки информации. Компьютеры, оснащенные специализированными программными средствами, являются технической базой и инструментом информационной системы.
В работе информационной системы можно выделить следующие этапы:
1. Зарождение данных - формирование первичных сообщений, которые фиксируют результаты определенных операций, свойства объектов и субъектов управления, параметры процессов, содержание нормативных и юридических актов и т.п.
2. Накопление и систематизация данных - организация такого их размещения, которое обеспечивало бы быстрый поиск и отбор нужных сведений, методическое обновление данных, защита их от искажений, потери, деформирование целостности и др.
3. Обработка данных - процессы, вследствие которых на основании прежде накопленных данных формируются новые виды данных: обобщающие, аналитические, рекомендательные, прогнозные. Производные данные тоже можно обрабатывать, получая более обобщенные сведения.
4. Отображение данных - представление их в форме, пригодной для восприятия человеком. Чаще всего в современных информационных системах отображение данных осуществляется на экраны мониторов либо на печатающие устройства с целью создания документов на так называемых твердых (бумажных) носителях.
Сообщения, которые формируются на первом этапе, могут быть обычным бумажным документом, сообщением в "машинном виде" или тем и другим одновременно. В современных информационных системах сообщения массового характера большей частью имеют "машинный вид". Аппаратура, которая используется при этом, имеет название средства регистрации первичной информации.
Потребности второго и третьего этапов удовлетворяются в современных информационных системах в основном средствами вычислительной техники. Средства, которые обеспечивают доступность информации для человека, то есть средства отображения данных, являются компонентами вычислительной техники.
Информационные технологии
Технология (от греч. téchne — искусство, мастерство, умение и греч. logos — изучение) - это совокупность методов и инструментов для достижения желаемого результата; способ преобразования имеющегося данного в необходимое.
Понятие информационной технологии появилось с возникновением информационного общества, основой социальной динамики в котором являются информационные ресурсы: знания, наука, организационные факторы, интеллектуальные способности, инициатива, творчество и т.д. Наиболее удачное определение понятия информационной технологии дано академиком Глушковым В.М., который трактовал ее как человеко-машинную технологию сбора, обработки и передачи информации, основанную на использовании вычислительной техники.
Информационные технологии (ИТ) имеют дело с использованием компьютеров и программного обеспечения для хранения, преобразования, защиты, обработки, передачи и получения информации. По этой причине, специалистов по компьютерам часто называют ИТ-специалистами.
Архитектура вычислительных машин
Среди основных задач информатики на первом месте мы назвали архитектуру вычислительных систем. В эту задачу входят:
– архитектура вычислительных машин,
– архитектура компьютерных сетей.
Основы учения об архитектуре вычислительных машин заложил фон Нейман в 1944 году, когда подключился к созданию первой в мире электронной вычислительной машины ЭНИАК.
В процессе работы над ЭНИАКом во время многочисленных дискуссий со своими коллегами возникла идея более совершенной машины под названием EDVAC.
В марте 1945 года принципы логической архитектуры были оформлены в отчете для Баллистической Лаборатории Армии США, на чьи деньги осуществлялась разработка EDVACа. Отчет, поскольку он являлся всего лишь наброском, не предназначался для публикации, а только для распространения внутри группы, однако куратор проекта со стороны Армии США размножил эту научную работу и разослал её широкому кругу ученых для ознакомления. Так как на первой странице документа стояло только имя фон Неймана, у читавших документ сложилось ложное впечатление, что автором всех идей, изложенных в работе, является именно он. Документ давал достаточно информации для того, чтобы читавшие его могли построить свои компьютеры на тех же принципах и с той же архитектурой, которые в результате стали называться «принципами фон Неймана» и «архитектурой фон Неймана».
После завершения Второй Мировой войны и окончания работ над ЭНИАКом в феврале 1946 года команда инженеров и ученых распалась. Фон Нейман с двумя коллегами перешли в «Институт перспективных исследований», где решили создать свой компьютер и использовать его для научно-исследовательской работы. В июне 1946 года они изложили свои принципы построения вычислительных машин в ставшей классической статье «Предварительное рассмотрение логической конструкции электронно-вычислительного устройства». С тех пор прошло более полувека, но выдвинутые в ней положения сохраняют свою актуальность и сегодня.
Ещё одной революционной идеей, значение которой трудно переоценить, является принцип «хранимой программы». Первоначально программа задавалась путём установки перемычек на специальной коммутационной панели. Это было весьма трудоемким занятием: например, для изменения программы машины ЭНИАК требовалось несколько дней, в то время как собственно расчет не мог продолжаться более нескольких минут — выходили из строя лампы и реле, которых было огромное количество. Фон Нейман с коллегами предложили хранить программу, записанную в виде последовательности двоичный нулей и единиц в памяти машины так же, как и обрабатываемые данные. При этом каждое машинное слово воспринимается как команда (инструкция) или некоторое данное, например, число в зависимости от того, в котором из регистров процессора находится его адрес.
Машина фон Неймана
Машина фон Неймана состоит из запоминающего устройства (памяти) - ЗУ, арифметико-логического устройства - АЛУ, устройства управления – УУ, а также устройств ввода и вывода.
Программы и данные вводятся в память из устройства ввода через арифметико-логическое устройство. Все команды программы записываются в соседние ячейки памяти, а данные для обработки могут содержаться в произвольных ячейках. У любой программы последняя команда должна быть командой завершения работы.
Команда состоит из указания, какую операцию следует выполнить (из возможных операций на данном «железе») и адресов ячеек памяти, где хранятся данные, над которыми следует выполнить указанную операцию, а также адреса ячейки, куда следует записать результат (если его требуется сохранить в ЗУ).
УУ управляет всеми частями компьютера. От управляющего устройства на другие устройства поступают сигналы «что делать», а от других устройств УУ получает информацию об их состоянии.
Управляющее устройство (УУ) содержит специальный регистр (ячейку), который называется «Счетчик Команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. УУ считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство — «Регистр команд». УУ определяет операцию команды, «отмечает» в памяти данные, адреса которых указаны в команде, и контролирует выполнение команды. Операцию выполняет АЛУ или аппаратные средства компьютера.
После выполнения очередной команды содержимое Счетчика Команд изменяется на единицу и, следовательно, указывает на следующую команду программы. Когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов, то специальная команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление, и именно этот адрес поступает в Регистр Команд.
Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет указанные командами операции над указанными данными. В составе имеется несколько Регистров Общего Назначения (РОН), представляющих из себя так называемую сверхоперативную память. В них заносятся из оперативной памяти данные, над которыми надо выполнить операцию и результат выполнения операции, который в дальнейшем переписывается в оперативную память либо на устройство вывода в соответствии с выполняемой командой. Принципиальное различие между запоминающим устройством (ЗУ) и устройством вывода заключается в том, что в ЗУ данные хранятся в виде, удобном для обработки компьютером, а на устройства вывода (принтер, монитор и др.) поступают в виде, необходимом и удобном человеку.
Принципы фон Неймана