Информатика. Объект, предмет, структура и основные задачи информатики
Введение
Информатика – это дисциплина, объектом изучения которой являются, прежде всего, информационные процессы, т.е. последовательность действий, выполняемых с информацией (процессы сбора, обработки, накопления, хранения, поиска и распространения информации). Информатика является дисциплиной федерального компонента цикла естественнонаучных дисциплин для системы высшего профессионального образования. Цель изучения дисциплины: формирование у студентов и курсантов теоретических знаний, практических умений и навыков в области информационных технологий и программирования, необходимых для выполнения служебной деятельности на высоком профессиональном уровне.
Учебная дисциплина «Информатика» преподается на первом курсе обучения, так как является вводной и играет ключевую роль в интеграции дисциплин естественнонаучного образования посредством использования новых информационных технологий, позволяющих на новой информационной основе собирать, накапливать и обрабатывать научную информацию. При этом, дисциплина носит практически-ориентированный характер, способствует развитию новых методов исследований в области естествознания.
Пособие написано на основе лекций, прочитанных авторами-составителями в Воронежском институте МВД России на специальном и радиотехническом факультетах, и включает в себя две части, первая из которых посвящена аппаратному и системному программному обеспечению компьютера, основам алгоритмизации, программирования и моделирования.
Структурно первая часть пособия состоит из 12 лекций и литературы.
В первой лекции вводятся основные понятия информатики, представлена ее структура, рассмотрены объект, предмет и задачи информатики, истоки и исторические предпосылки ее появления, раскрыто понятие информации, приведены ее виды, свойства и единицы измерения.
Во второй лекции рассмотрены способы представления различных видов информации в ЭВМ, системы счисления и правила двоичной арифметики.
В третьей лекции читатели познакомятся с логическими основами функционирования ЭВМ: основными положениями алгебры логики и элементами логических схем.
В четвертой лекции рассмотрены вопросы устройства и функционирования процессора, взаимодействия его с устройствами памяти, составления программ на языке низкого уровня – ассемблер.
В пятой лекции рассмотрена история появления компьютера, его устройство и принципы работы его основных элементов.
В шестой лекции рассмотрены уровни программного обеспечения ЭВМ, состав и назначение программ на разных уровнях.
Седьмая лекция посвящена двум операционным системам (ОС):
MS DOS и Windows XP. В ней раскрываются основные объекты и приемы управления данными ОС, а также работа с файлами и папками с помощью диспетчера файлов - «Проводник» и операционной оболочки (файлового менеджера) - «Norton Commander».
В восьмой лекции раскрыты понятия «система» и «управление системами», основные свойства (признаки) системы, показано содержание процесса управления кибернетической системы, а также рассмотрены предмет науки кибернетика, типы задач управления и виды обратных связей в системах управления.
Девятая лекция посвящена основам моделирования. В ней раскрыты понятия «модель» и «моделирование», сущность системного и индуктивного подходов к синтезу модели, показано содержание основных этапов разработки модели, а также рассмотрены виды моделей и моделирования.
Десятая лекция посвящена основам алгоритмизации. В ней читатель познакомится с алгоритмами и алгоритмизацией на основе содержательного толкования сущности понятия алгоритма и рассмотрения основных его свойств. Рассматриваются виды и способы описания алгоритмов.
В одиннадцатой лекции рассмотрены этапы решения задач на ЭВМ, раскрыты основные методы технологии программирования, а также правила конструирования алгоритмов из базовых структур.
Двенадцатая лекция посвящена основам программирования, раскрыты этапы создания программы для ЭВМ. Более подробно рассмотрен этап устранения ошибок, а также введены основные понятия языков программирования: оператор, выражение, типы данных; дана классификация языков программирования. Обзор языков программирования приведен в приложении А.
Список литературы, помещенный в конце пособия, не претендует на полный обзор библиографии. Он содержит работы, использованные при подготовке пособия, а также дополнительные источники, которые имеются в библиотечном фонде Воронежского института МВД России. Знакомство с этими работами может быть полезно читателю при углубленном изучении рассматриваемых вопросов.
Авторы-составители с благодарностью изучат все замечания и предложения, высказанные по содержанию курса лекций, и учтут их в дальнейшей работе. E-mail для отзывов: [email protected]
ЛЕКЦИЯ 1. Введение в информатику. Основные понятия информатики
В лекции вводятся основные понятия информатики, представлена ее структура, рассмотрены объект, предмет и задачи информатики, истоки и исторические предпосылки ее появления, раскрыто понятие информации, приведены ее виды, свойства и единицы измерения.
Ключевые слова:информатика, объект и предмет информатики, информационная технология, информационное общество, информатизация, информационные процессы, информационная система, информационные ресурсы, информация, свойства информации, сигнал, сообщение, данные, бит, бод, сбор данных, передачи данных, хранение данных, обработка данных.
Информатика возникла относительно недавно (примерно тридцать лет назад) и по сравнению с другими науками еще совсем молода. Но, несмотря на это, в настоящее время она выдвинулась в ряд важнейших областей знания. Причина ее стремительного развития состоит в том, что предмет ее исследования – научная информация, свойства и закономерности ее распространения – приобретает в современном мире исключительно важное значение. Эффективное использование научной информации – задача не только специальных информационных органов, но и всех тех, кто непосредственно занят в научной или производственной сфере. Поэтому, в какой бы области знаний ни работал сейчас ученый или специалист, для него очень важно уметь грамотно обрабатывать информацию: искать, отбирать, анализировать и использовать ее.
Информационное общество
В современных философских и социологических теориях разработан ряд типологий (классификаций) цивилизаций. Одной из наиболее известных и аргументированных является типология американского философа Алвина Тоффлера, на которую мы и будем опираться в дальнейшем изложении. Он считает, что в своем развитии человечество проходит три основные стадии (три вида общества): аграрно-ремесленную, индустриальную и информационную. Название их определяет ведущую технологическую сферу, а переход от одной стадии к другой называется социотехнологической революцией. Подробное рассмотрение особенностей каждой из цивилизаций выходит за рамки нашего курса, поэтому отметим наиболее существенные моменты.
Как же оценить, насколько развитие того или иного общества соответствует определенному типу цивилизации? В качестве такого критерия можно использовать структуру занятости населения. В табл. 1.1 приведены сведения о занятости населения, полученные на основании усреднения данных различных исследований.
Считается, что общество переходит к стадии информационного, когда более 50% трудоспособного населения занято в сфере информации и услуг.
Таблица 1.1
Структура занятости населения для различных типов цивилизаций, в %
| Общество | Сельское хозяйство | Промышленность | Информация, сфера услуг |
| Аграрно-ремесленное | |||
| Индустриальное | |||
| Информационное |
Сформулируем признаки современного информационного общества на основании мнений философов, социологов, специалистов в области информационной технологии. Общество является информационным, если:
1) любой человек, группа лиц или организация в любой точке страны и в любое время могут получить за соответствующую плату или бесплатно на основе автоматизированного доступа и систем связи любые информацию и знания, необходимые для их жизнедеятельности и решения личных и социально значимых задач;
2) в нем производится, функционирует и доступна любому человеку, группе или организации современная информационная технология, обеспечивающая выполнимость предыдущего пункта;
3) имеются развитые инфраструктуры, обеспечивающие создание национальных информационных ресурсов в объеме, необходимом для поддержания постоянно ускоряющегося научно-технического и социально-исторического прогресса. Общество в состоянии производить всю нужную для жизнедеятельности информацию, прежде всего научную.
4) в нем происходит процесс ускоренной информатизации всех сфер и отраслей производства и управления;
5) радикально изменяются социальные структуры, в результате расширяется сфера информационной деятельности и услуг. В этой сфере трудится не менее 50% работающего населения; число занятых в традиционных отраслях постоянно снижается при неуклонном повышении производительности труда и качества продукции. Информационные технологи, основанные на современных телекоммуникационных системах, создают принципиально новые модели жизни и деятельности людей, становятся решающим фактором экономии времени, возрастания доли полезного творческого труда.
В настоящий момент ближе всех стран к информационному обществу находятся США, Япония, Англия, страны Западной Европы.
В информационном обществе протекает процесс информатизации. Определим это понятие.
Информатизация -это организационный социально-экономический научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе использования информационных ресурсов.
Целью информатизации является создание информационного общества, когда большинство людей занято производством, хранением, переработкой, реализацией и использованием информации. Для решения этой задачи возникают новые направления в научной и практической деятельности членов общества. Так возникли информатика и информационные технологии.
Понятие «информатизация» тесным образом связано с понятиями: «информационные процессы», «информационная система», «информационные ресурсы».
Информационные процессы - последовательность действий, выполняемых с информацией. К ним относят процессы сбора, обработки, накопления, хранения, поиска и распространения информации.
Информационная система (ИС) - организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств компьютерной техники и связи, реализующих информационные процессы.
Информационные ресурсы - отдельные документы и отдельные массивы документов, документы и массивы документов в информационных системах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных, других информационных системах).
Основные понятия информатики
Одним из центральных понятий информатики является «информация». Этот термин происходит от латинского INFORMATIO - осведомление, сообщение о чем-либо, о каком-либо факте, событии, разъяснение чего-либо. Данное понятие появилось около 2 500 лет назад, а затем проникло из латинского в другие языки.
Несмотря на привычность этого термина, строгого и общепринятого определения не существует. Некоторое представление о разнообразии видов информации может дать следующее определение: «Информация - это общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму». Современное понятие информации законодательно установлено Федеральным законом от 27 июля 2006 г.
№ 149 «Об информации, информационных технологиях и о защите информации»: информация - сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления.
В рамках рассматриваемой нами науки «информация» является первичным и, следовательно, неопределимым понятием, подобно понятиям «точка» в математике, «тело» в механике, «поле» в физике. Несмотря на то, что этому понятию невозможно дать строгое определение, имеется возможность описать его через проявляемые свойства, и мы попытаемся это сделать.
Как известно, в материальном мире все физические объекты, окружающие нас, являются либо телами, либо полями. Физические объекты, взаимодействуя друг с другом, порождают сигналы различных типов.
В общем случае сигнал (франц. signal, нем. Signal, от лат. signum - знак) - физический процесс (явление), несущий сообщение (информацию) о каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, оповещения и т.д. Сообщение - наименьший элемент языка, имеющий идею или смысл, пригодный для общения.
Другими словами любой сигнал- это изменяющийся во времени физический процесс.
По своей природе сигнал может быть:
· механическим (например, деформация, изменение давления);
· тепловым (изменение температуры);
· световым (вспышка света, зрительный образ);
· электрическим (изменение силы тока, напряжения);
· электромагнитным (радиоволны);
· звуковым (акустические колебания) и др.
Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.
Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы (АС) описываются некоторой математической функцией времени (рис. 1.17).
Пример АС - гармонический сигнал - s(t) = A·cos(ω·t + φ).
Рис. 1.17. Аналоговый сигнал
Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.
Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени (рис. 1.18). Эти значения называются отсчетами. Δt называется интервалом дискретизации.
Рис. 1.18. Дискретный сигнал
При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности (рис. 1.19). Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log2(N).
Рис. 1.19. Квантованный сигнал
Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближенное (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.
В свою очередь, сигналы могут порождать в физических телах изменения свойств. Это явление называется регистрацией сигналов. Сигналы, зарегистрированные на материальном носителе, называются данными. Иными словами данными называют факты, сведения, представленные в формализованном виде (закодированные), занесенные на те или иные носители и допускающие обработку с помощью специальных технических средств (в первую очередь ЭВМ).
Данные несут информацию о событии, но не являются самой информацией, так как одни и те же данные могут восприниматься (отображаться или еще говорят интерпретироваться) в сознании разных людей совершенно по-разному. Например, текст, написанный на русском языке (т.е. данные), даст различную информацию человеку, знающему алфавит и язык, и человеку, не знающему их.
Чтобы получить информацию, имея данные, необходимо к ним применить методы, которые преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Методы, в свою очередь, тоже различны. Например, человек, знающий русский язык, применяет адекватный метод, читая русский текст. Соответственно, человек, не знающий русского языка и алфавита, применяет неадекватный метод, пытаясь понять русский текст. Таком образом, можно считать, что информация - это продукт взаимодействия данных и адекватных методов.
Из вышесказанного следует, что информация не является статическим объектом, она появляется и существует в момент слияния методов и данных, все прочее время она находится в форме данных.
Информация не является ни материей, ни энергией. В отличие от них, она может возникать и исчезать.
Принципы Дж. фон Неймана
Архитектурой компьютера считается его представление на некотором общем уровне, включающее описание пользовательских возможностей программирования, системы команд, системы адресации, организации памяти и т.д. Архитектура определяет принципы действия, информационные связи и взаимное соединение основных логических узлов компьютера: процессора, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ, ОП), внешних ЗУ и периферийных устройств.
Компонентами архитектуры компьютера являются: вычислительные и логические возможности, аппаратные средства и программное обеспечение.
Структура компьютера - это совокупность его функциональных элементов и связей между ними. Элементами могут быть самые типичные устройства - от основных логических узлов компьютера до простейших схем. Структура компьютера графически представляется в виде структурных схем, с помощью которых можно дать его описание на любом уровне детализации.
Архитектуру компьютера следует отличать от его структуры. Структура определяет конкретный набор устройств, блоков, узлов, входящих в состав компьютера, тогда как архитектура определяет правила взаимодействия составных частей компьютера.
Принципы (архитектура) фон Неймана. В основу построения большинства компьютеров положены следующие общие принципы, сформулированные в 1945 г. американским ученым Джоном фон Нейманом.
1. Принцип программного управления. Из него следует, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.
Выборка программы из памяти осуществляется с помощью счетчика команд. Этот регистр процессора последовательно увеличивает хранимый в нем адрес очередной команды на длину команды. Так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.
Структура отдельной команды имеет вид:
<код операции> <операнды>,
где <код операции> определяет, какая операция должна выполняться;
<операнды> - список (возможно, одноэлементный) тех констант, адресов или имен переменных, над которыми выполняется данная операция.
В зависимости от числа операндов различают одно-, двух- и трехадресные машинные команды. Каждая команда имеет определенный объем, измеряемый байтами.
2. Принцип условного перехода. Если после выполнения команды следует перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов (ветвления), которые заносят в счетчик команд номер ячейки памяти, содержащей следующую команду. Выборка команд из памяти прекращается после достижения и выполнения команды «стоп».
Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.
3. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому компьютер не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными. Это открывает целый ряд возможностей. Например, программа в процессе своего выполнения также может подвергаться переработке, что позволяет задавать в самой программе правила получения некоторых ее частей (так в программе организуется выполнение циклов и подпрограмм). Более того, команды одной программы могут быть получены как результаты исполнения другой программы. На этом принципе основаны методы трансляции - перевода текста программы с языка программирования высокого уровня на язык конкретной машины.
4. Принцип размещения программы в памяти. Программа, требуемая для работы ЭВМ, предварительно размещается в памяти компьютера, а не вводится команда за командой.
5. Принцип адресности. Структурно основная память состоит из перенумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка. Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программ с использованием присвоенных имен.
6. Принцип иерархии памяти. Память ЭВМ неоднородна. Для часто используемых данных выделяется память меньшего объема, но большего быстродействия; для редко используемых данных выделяется память большего объема, но меньшего быстродействия.
7. Принцип двоичной системы счисления. Для внутреннего представления данных и программ в памяти ЭВМ применяется двоичная система счисления, которую можно проще реализовать технически.
Компьютеры, построенные на этих принципах, относятся к типу фон-неймановских. Существуют и другие классы компьютеров, принципиально отличающиеся от фон-неймановских. Здесь, например, может не выполняться принцип программного управления, т.е. они могут работать без счетчика (регистра адреса) команд, указывающего на выполняемую команду программы. Для обращения к какой-либо переменной, хранящейся в памяти, этим компьютерам не обязательно давать ей имя. Такие компьютеры называются не-фон-неймановскими.
Машина фон Неймана состояла из памяти, представлявшей собой набор регистров, АЛУ, устройства ввода-вывода и устройства управления (рис. 3.7).
Устройство ввода передавало команды и данные в АЛУ, откуда они записывались в память. Все команды, совокупность которых называется программой, записываются в память в соседние ячейки по возрастанию их адресов, а данные, которые требуют обработки, - в ячейки с произвольными адресами. Последняя команда программы - это обязательно команда остановки работы. Каждая команда содержит код операции, которую необходимо выполнить, и адреса ячеек, в которых находятся данные, обрабатываемые этой командой. Устройство управления содержит специальный регистр, который называется «Счетчик команд». После загрузки программы и данных в память в счетчик команд записывается адрес первой команды программы. После чего вычислительная машина переходит в режим автоматического выполнения программы.
Рис. 3.7. Машина фон Неймана
Устройство управления считывает из памяти содержимое ячейки памяти, адрес которой находится в счетчике команд, и помещает его в специальное устройство - «Регистр команд». Регистр команд хранит команду во время ее исполнения. Устройство управления расшифровывает тип операции команды, считывает из памяти данные, адреса которых указаны в команде, и приступает к ее выполнению. Для каждой команды устройство управления имеет свой алгоритм обработки, который заключается в выработке управляющих сигналов для всех остальных устройств машины. Этот алгоритм мог быть реализован на основе комбинационных логических схем или с помощью специальной внутренней памяти, куда эти алгоритмы были записаны в виде микрокоманд, объединенных в микропрограммы. Выполнение микропрограммы происходит по тому же принципу, что и программы в основной памяти, т.е. по принципу фон Неймана. Каждая микрокоманда содержит набор управляющих сигналов для устройств машины. Отметим, что устройства управления выполнением команд процессоров в современных компьютерных системах также строятся по принципу комбинационных схем или микропрограммных автоматов, в соответствии с чем делятся на RISC и CISC процессоры, о которых будет рассказано ниже.
Микропрограмма выполнения любой команды обязательно содержит сигналы, изменяющие содержимого счетчика команд на единицу. Таким образом, после завершения выполнения очередной команды, счетчик команд указывал на следующую ячейку памяти, в которой находилась следующая команда программы. Устройство управления читает команду, адрес которой находится в счетчике команд, помещает ее в регистр команд и т.д. Этот процесс продолжается до тех пор, пока очередная исполняемая команда не оказывается командой останова исполнения программы. Интересно отметить, что и команды, и данные, находящиеся в памяти, представляют собой целочисленные двоичные наборы. Отличить команду от данных устройство управления не может, поэтому, если программист забыл закончить программу командой останова, устройство управления читает следующие ячейки памяти, в которых уже нет команд программы, и пытается интерпретировать их как команды.
Особым случаем можно считать команды безусловного или условного перехода, когда требуется выполнить команду, не следующую по порядку за текущей, а отстоящую от данной на какое-то количество адресов. В этом случае команда перехода содержит адрес ячейки, куда требуется передать управление. Этот адрес записывается устройством управления непосредственно в счетчик команд и происходит переход на соответствующую команду программы.
Поколения ЭВМ
Принципы Дж. Фон Неймана были реализованы в английских компьютерах «Марк-1» (1948 г.) и EDSAC (1949 г.). ЭВМ, созданные в середине XX века, имели две важные особенности, которыми не обладали ранее созданные машины: возможность программирования и способность хранения информации. С этого времени начинается счет поколений ЭВМ, к настоящему моменту их сменилось уже четыре.
Первое поколение (1946-1960) - это время становления архитектуры машин фон-неймановского типа, построенных на электронных лампах с быстродействием 10-20 тысяч арифметических операций в секунду. В Советском Союзе к первому поколению относились первая отечественная вычислительная машина МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина), созданная в 1951 г. в г. Киеве под руководством академика С.А. Лебедева, БЭСМ (Большая Электронная Счетная Машина), Урал-1, Урал-4 и др. ЭВМ первого поколения были громоздкими, ненадежными и нуждались во вспомогательных холодильных установках. Использовались они для решения вычислительных задач научного характера. Процесс программирования на этих машинах требовал очень хорошего знания устройства машины и того, как она реагирует на ту или иную ситуацию.
Второе поколение (1960-1964) - машины, построенные на транзисторах, с быстродействием до сотен тысяч операций в секунду. Стала использоваться библиотека стандартных программ, а процесс программирования стал более легким. Первой полупроводниковой машиной была появившаяся в 1959 г. модель RCA-501. В Советском Союзе к этому поколению относятся машины Минск-2, Минск-22,
Минск-32, БЭСМ-2, БЭСМ-4 и БЭСМ-6, быстродействие которой составляло миллион операций в секунду.
Третье поколение (1964-1970) характеризуется тем, что вместо транзисторов стали использоваться интегральные схемы (ИС) и полупроводниковая память. Для повышения эффективности использования возникла необходимость в системной программе, управляющей устройствами ЭВМ. Так была создана операционная система. Вычислительные машины третьего поколения, как правило, образуют серии (семейства) машин, совместимых программно. Такая серия состоит из ЭВМ, производительность и объем памяти которых возрастают от одной машины серии к другой. Программа, отлаженная на одной из машин серии, может быть сразу запущена на другой машине этой серии (на машинах большей мощности). Первым таким семейством машин третьего поколения была выпущенная в 1965 г. серия IBM/360. Она имела свыше семи моделей. В Советском Союзе такую серию составляли машины семейства ЕС ЭВМ (Единая Система ЭВМ), совместимые с IBM/360 (фактически они являлись копиями американских ЭВМ).
Четвертое поколение (1970-1980-е) - это машины, построенные на больших интегральных схемах (БИС). Такие схемы содержат до нескольких десятков тысяч элементов на одном кристалле. ЭВМ этого поколения способны выполнять десятки и сотни миллионов операций в секунду. Появляются микропроцессоры, способные обрабатывать числа длинной в 16 и 32 разряда, статическая память емкостью 256 Кбайт и динамическая память емкостью в 1 Мбайт. ЭВМ по своим характеристикам стали так разнообразны, что их начинают классифицировать на сверхбольшие ЭВМ, большие (универсальные), мини-ЭВМ, микро-ЭВМ и персональные компьютеры.
Пятое поколение (c 1980) находится в стадии разработки. В 1979 г. японскими специалистами, объединившими свои усилия под эгидой научно-исследовательского центра по обработке информации - JIPDEC, была впервые поставлена задача разработки принципиально новых компьютеров. В 1981 г. JIPDEC опубликовал предварительный отчет, содержащий детальный многостадийный план развертывания научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью создания к 1991 г. прототипа ЭВМ нового поколения (рис. 3.8). Этот отчет лег в основу японской национальной программы создания ЭВМ пятого поколения.
Отличительными чертами ЭВМ этого поколения являются:
· новая технология производства, не на кремнии, а на базе других материалов;
· отказ от архитектуры фон Неймана, переход на новые архитектуры (например, на архитектуру потока данных), и, как следствие этого, превращение ЭВМ в многопроцессорную систему (матричный процессор, процессор глобальных связей, процессор локальных связей, машины базы данных, процессор операционной системы и т.п.);
Рис. 3.8. Компьютер пятого поколения PIM/m-1
· новые способы ввода-вывода информации, удобные для пользователя (например, распознавание речи и образов, синтез речи, обработка сообщений на естественном языке);
· искусственный интеллект, т.е. автоматизация процессов решения задач, получения выводов, манипулирования знаниями.
Переход к ЭВМ пятого поколения означает резкий рост «интеллектуальных» способностей компьютера, в результате чего машина сможет непосредственно «понимать» задачу, поставленную перед ней человеком. Следовательно, отпадает необходимость в составлении программы как средства «общения» с ЭВМ при решении той или иной задачи.
Предполагается, что компьютеры пятого поколения будут вести диалог с непрофессиональными пользователями на естественном языке, в том числе в речевой форме или путем обмена графической информацией - с помощью чертежей, схем, графиков, рисунков. В состав ЭВМ пятого поколения также должна войти система решения задач и логического мышления, обеспечивающая способность машины к самообучению, ассоциативной обработке информации и получению логических выводов.
Архитектура ЭВМ
В настоящее время для компьютера наиболее распространены следующие архитектурные решения:
· классическая архитектура - одно АЛУ, через которое проходит поток данных, и одно УУ, через которое проходит поток команд – программа (это однопроцессорный компьютер или компьютер с общей шиной). Все функциональные блоки в ней связаны между собой общей шиной (или системной магистралью). Периферийные устройства (принтер и др.) подключаются к аппаратуре компьютера через специальные контроллеры - устройства управления периферийными устройствами (рис. 3.9).
Контроллер - устройство, связывающее периферийное оборудование или каналы связи с центральным процессором, освобождая процессор от непосредственного управления функционированием данного оборудования;
· многопроцессорная архитектура – предполагает наличие в компьютере нескольких процессоров, что обеспечивает параллельно много потоков данных и команд. Таким образом, параллельно могут выполняться несколько фрагментов одной задачи;
· многомашинная вычислительная система – включает несколько процессоров, имеющих свою локальную память. Каждый компьютер в многомашинной системе имеет классическую архитектуру, и такая система применяется достаточно широко;
· архитектура с параллельными процессорами - несколько АЛУ работают под управлением одного УУ (множество данных может обрабатываться по одной программе - то есть по одному потоку команд).
Рис. 3.9. Архитектура компьютера открытого типа, основанная на использовании общей шины
В основу архитектуры современных персональных компьютеров положен магистрально-модульный принцип (рис. 3.10).
Магистраль (системная шина) - это набор электронных линий, связывающих центральный процессор, основную память и периферийные устройства воедино относительно передачи данных, служебных сигналов и адресации памяти. Благодаря модульному принципу построения потребитель сам может комплектовать компьютер нужной ему конфигурации и производить при необходимости ее модернизацию.
Рис. 3.10. Магистрально-модульный принцип строения ЭВМ
Модульная организация системы опирается на магистральный (шинный) принцип обмена информацией. Процессор выполняет арифметические и логические операции, взаимодействует с памятью, управляет и согласует работу периферийных устройств.
Обмен информацией между отдельными устройствами компьютера производится по образующим магистраль трем многоразрядным шинам (многопроводным линиям связи), соединяющим все модули, - шине данных, шине адресов, шине управления. Разрядность шины определяется количеством бит информации, передаваемых по шине параллельно.
Шина данных. По этой шине данные передаются между различными устройствами. Разрядность шины данных определяет число двоичных разрядов, которые процессор обрабатывает за один такт. За 25 лет, прошедших со времени создания первого персонального компьютера (1975 г.), разрядность шины данных увеличилась с 8 до 64 бит.
Шина адреса. Каждая ячейка оперативной памяти имеет свой адр