Часть 2 Вопросы 4-6

История развития ЭВМ.

Слово «компьютер» означает «вычислитель», т.е. устройство для вычислений. Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались счетные палочки, камешки и т.д. Более 1500 лет тому назад для облегчения вычислений стали использоваться счеты (абак).

В 1642 г. Блез Паскаль изобрел устройство, механически выпол­няющее сложение чисел, а в 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц скон­струировал арифмометр, позволяющий механически выполнять четыре арифметических действия. Начиная с XIX в. арифмометры получили очень широкое применение. На них выполняли даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для ар­тиллерийских стрельб. Существовала и специальная профессия — счетчик — человек, работающий с арифмометром, быстро и точно со­блюдающий определенную последовательность инструкций (такую по­следовательность инструкций впоследствии стали называть програм­мой). Но многие расчеты производились очень медленно — даже де­сятки счетчиков должны были работать по несколько недель и меся­цев. Причина проста — при таких расчетах выбор выполняемых дей­ствий и запись результатов производились человеком, а скорость его работы весьма ограничена.

В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Бэббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство — Аналитическую машину, которая должна была выполнять вычисления без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (карт из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий, они в то время уже широко употреблялись в ткацких станках), и иметь «склад для запо­минания данных и промежуточных результатов (в современной терми­нологии — память). Бэббидж не смог довести до конца работу по со­зданию Аналитической машины — она оказалась слишком сложной для техники того времени. Однако он разработал все основные идеи, и в 1943 г. американец Говард Эйкен с помощью работ Бэббиджа на основе техники XX в. — электромеханических реле — смог построить на одном из предприятий фирмы IBM такую машину под названием «Марк-1». Еще раньше идеи Бэббиджа были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, который в 1941 г. построил аналогичную машину.

К этому времени потребность в автоматизации вычислений стала на столько велика, что над созданием машин типа построенных Эйкеном и Цузе одновременно работало несколько групп исследователей. Начиная с 1943 г. группа специалистов под руководством Джона Мочли \ Преспера Экерта в США начала конструировать подобную машину уже на основе электронных ламп, а не реле. Их машина, названная ENIAC, работала в тысячу раз быстрее, чем Марк-1, однако для зада­ния ее программы приходилось в течение нескольких часов или даже нескольких дней подсоединять нужным образом провода. Чтобы упро­стить процесс задания программ, Мочли и Экерт стали конструировать новую машину, которая могла бы хранить программу в своей памя­ти. В 1945 г. к работе был привлечен знаменитый математик Джон фон Нейман, который подготовил доклад об этой машине. Доклад был разослан многим ученым и получил широкую известность, поскольку Джон фон Нейман ясно и просто сформулировал общие принципы фун­кционирования универсальных вычислительных устройств, т.е. ком­пьютеров.

Первый компьютер, в котором были воплощены принципы фон Ней­мана, был построен в 1949 г. английским исследователем Морисом Уилксом. С той поры компьютеры стали гораздо более мощными, но подавляющее большинство из них сделано в соответствии с теми принципами, которые изложил в своем докладе в 1945 г. Джон фон Ней­ман.

В своем докладе Джон фон Нейман описал, как должен быть устро­ен компьютер для того, чтобы он был универсальным и эффективным устройством для обработки информации.

Устройства компьютера. Прежде всего, компьютер должен иметь следующие устройства:

•   арифметическо-логическое устройство, выполняющее ариф­метические и логические операции;

•      устройство управления, которое организует процесс выполне­ния программ;

•      запоминающее устройство, или память для хранения программ и данных;

•      внешние устройства для ввода-вывода информации.

Память компьютера должна состоять из некоторого количества про­нумерованных ячеек, в каждой из которых могут находиться или обра­батываемые данные, или инструкции программ. Все ячейки памяти должны быть одинаково легко доступны для других устройств компью­тера.

Вот каковы должны быть связи между устройствами компьютера (одинарные линии показывают управляющие связи, двойные — ин­формационные).

		Оперативная  память

 

Принципы работы компьютера. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в память компьютера вводится программа. Устройство уп­равления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая инструкция (команда) программы, и организует ее выполнение. Эта ко­манда может задавать выполнение арифметических или логических операций, чтение из памяти данных для выполнения арифметических или логических операций ИДИ запись их результатов в память, ввод данных из внешнего устройства в память или вывод данных из памяти на внешнее устройство.

Как правило, после выполнения одной команды устройство управ­ления начинает выполнять команду из ячейки памяти, которая нахо­дится непосредственно за только что выполненной командой. Однако этот порядок может быть изменен с помощью команд передачи управ­ления (перехода). Эти команды указывают устройству управления, что ему следует продолжить выполнение программы, начиная с команды, содержащейся в некоторой другой ячейке памяти. Такой «скачок», или Переход, в программе может выполняться не всегда, а только при вы­полнении некоторых условий, например, если некоторые числа равны, если в результате предыдущей арифметической операции получился Нуль и т.д. Это позволяет использовать одни и те же последовательно­сти команд в программе много раз (т.е. организовывать циклы), выпол­нять различные последовательности команд в зависимости от выполне­ния определенных условий и т.д., т.е. создавать сложные программы.

Таким образом, управляющее устройство выполняет инструкции (программы автоматически, т.е. без вмешательства человека. Оно может обмениваться информацией с оперативной памятью и внешним» устройствами компьютера. Поскольку внешние устройства, как правило, работают значительно медленнее, чем остальные части компьютера, управляющее устройство может приостанавливать выполнение программы до завершения операции ввода-вывода с внешним устройством. Все результаты выполненной программы должны быть ею выведены на внешние устройства компьютера, после чего компьютер пере ходит к ожиданию каких-либо сигналов внешних устройств.

Особенности современных компьютеров. Следует заметить, что схема устройства современных компьютеров несколько отличается от приведенной выше. В частности, арифметическо-логическое устройство и устройство управления, как правило, объединены в единое устройство — центральный процессор. Кроме того, процесс выполнена программ может прерываться для выполнения неотложных действий связанных с поступившими сигналами от внешних устройств компьютера — прерываний. Многие быстродействующие компьютеры осуществляют параллельную обработку данных на нескольких процессорах. Тем не менее, большинство современных компьютеров в основных чертах соответствуют принципам, изложенным фон Нейманом.

Структура информации.

Термин «информация» на бытовом уровне и во многих научных дисциплинах ассоциируется с понятиями сведения, знания, данные, известие, сообщение, управление и др. Общим во всех перечисленных примерах является то, в них существенным и значимым для использования является содержательная сторона информации – с позиций «здравого смысла» это представляется вполне естественным. Однако оценка смысла и ценности одной и той же информации различными людьми, вообще говоря, будет различной; объективная количественная мера смысловой стороны информации отсутствует.

С другой стороны, можно привести примеры ситуаций, когда семантическая основа информации роли не играет, точнее, она принимается в виде атрибута (свойства, качества) информации, который не должен изменяться, а для этого следует обеспечить неизменность материального представления информации. По этой причине в ряде теоретических, технических и даже организационных приложений можно просто сосредоточиться на задаче обеспечения неизменности информации в процессах, с ней связанных (в первую очередь, это передача и хранение), а также поиске наилучших условий осуществления этих процессов безотносительно содержания самой информации.

Например, задача библиотеки – обеспечить хранение, учет и доступ читателей к любым имеющимся в фонде книгам, независимо от их содержания; действия библиотекарей сводятся к тому, чтобы по формальным признакам – кодам, фамилии автора, названию – отыскать нужную книгу и выдать читателю; при этом содержание, полезность, новизну, значимость и т.п. книги оценивает именно читатель (т.е. лицо, использующее информацию), а не тот, кто ее хранит.

Отделив информацию от ее семантической основы, мы получаем возможность построить определение информации и параллельно ввести ее объективную количественную меру. Будет использован способ определения, который называется операционным и который состоит в описании метода измерения или нахождения значения определяемой величины – такому способу отдается предпочтение в научном знании, поскольку он обеспечивается однозначность и объективность, чего трудно добиться для категорий, не имеющих меры (например, попробуйте определить понятие «доброта»). Открытие такого способа определения информации является одной из главных заслуг теории информации.

Информация категория нематериальная. Следовательно, для существования и распространения в нашем материальном мире она должна быть обязательно связана с какой-либо материальной основой – без нее информация не может проявиться, передаваться и сохраняться, например, восприниматься и запоминаться нами. Введем определение:

Материальный объект или среду, которые служат для представления или передачи информации, будем называть ее материальным носителем.

Материальным носителем информации может быть бумага, воздух, лазерный диск, электромагнитное поле и пр. При этом хранение информации связано с некоторой характеристикой носителя, которая не меняется с течением времени, например намагниченные области поверхности диска или буква на бумаге, а передача информации – наоборот, с характеристикой, которая изменяется с течением времени, например амплитуда колебаний звуковой волны или напряжение в проводах. Другими словами, хранение информации связано с фиксацией состояния носителя, а распространение – с процессом, который протекает в носителе. Состояния и процессы могут иметь физическую, химическую, биологическую или иную основу – главное, что они материальны.

Однако не с любым процессом можно связать информацию. В частности, стационарный процесс, т.е. процесс с неизменными в течение времени характеристиками, информацию не переносит. Примером может служить постоянный электрический ток, ровное горение лампы, или равномерный гул – они содержат лишь ту информацию, что процесс идет, т.е. что-то функционирует. Иное дело, если мы будем лампу включать и выключать, т.е. изменять ее яркость, – чередованием вспышек и пауз можно представить и передать информацию (например, посредством азбуки Морзе). Таким образом, для передачи необходим нестационарный процесс, т.е. процесс, характеристики которого могут изменяться; при этом информация связывается не с существованием процесса, а именно с изменением какой-либо его характеристики.

Изменение характеристики носителя, которое используется для представления информации, называется сигналом, а значение этой характеристики, отнесенное к некоторой шкале измерений, называется параметром сигнала.

Примеры процессов, используемых для передачи информации, и связанных с ними сигналов.

Однако одиночный сигнал, как мы увидим в дальнейшем, не может содержать много информации. Поэтому для передачи информации используется ряд следующих друг за другом сигналов.

Последовательность сигналов называется сообщением.

Таким образом, от источника к приемнику информация передается в виде сообщений. Можно сказать, что сообщение выступает в качестве материальной оболочки для представления информации при передаче. Следовательно, сообщение служит переносчиком информации, а информация является содержанием сообщения.

Соответствие между сообщением и содержащейся в нем информацией называется правилом интерпретации сообщения.

Это соответствие может быть однозначным и неоднозначным. В первом случае сообщение имеет лишь одно правило интерпретации. Например, по последовательности точек, тире и пауз в азбуке Морзе однозначно восстанавливается переданная буква. Неоднозначность соответствия между сообщением и информацией возможна в двух вариантах:

·                     одна и та же информация может передаваться различными сообщениями (например, прогноз погоды может быть получен по радио, из газеты, по телефону и пр.);

·                     одно и то же сообщение может содержать различную информацию для разных приемников (примером может служить передача в 1936 г. по радио фразы «Над всей Испанией безоблачное небо», которое для непосвященных людей имело смысл прогноза погоды, а для знакомых с правилом интерпретации – сигналом к началу военных действий).

Понятие информационного процесса

Вообще термин «процесс» применяется в тех случаях, когда некоторое качество, характеризующее систему или объект, меняется с течением времени в результате внешних воздействий или каких-то внутренних причин. Атрибуты которые могут изменяться с течением времени у нематериальной информации – это ее содержание и материальная оболочка, посредством которого информация представлена, т.е. сообщение. В связи с этим:

Информационный процесс – это изменение с течением времени содержания информации или представляющего его сообщения.

Различных видов информационных процессов оказывается немного:

·                     порождение (создание) новой информации;

·                     преобразование информации (т.е. порождение новой информации в результате обработки имеющейся);

·                     уничтожение информации;

·                     передача информации (распространение в пространстве).

Все перечисленные события происходят не непосредственно с самой информацией, а с сообщением, т.е. ее материальной оболочкой. И с этих позиций возможны лишь два типа процессов: изменение сообщения с сохранением содержащейся в нем информации и изменение сообщения, сопровождающееся преобразованием информации. К процессам первого типа относится передача информации без потерь и обратимая перекодировка; к процессам второго типа – создание-уничтожение, необратимая перекодировка, передача с потерями, обработка с появлением новой информации.

С передачей информации связана еще одна пара исходных сопряженных понятий – источник и приемник информации.

Источник информации – это субъект или объект, порождающий информацию и представляющий ее в виде сообщения.

Приемник информации – это субъект или объект, принимающий сообщение и способный правильно его интерпретировать.

В этих определениях сочетание «субъект или объект» означает, что источники и приемники информации могут быть одушевленными (человек, животные) или неодушевленными (технические устройства, природные явления). Для того чтобы объект (или субъект) считался источником информации, он должен не только ее породить, но и иметь возможность инициировать какой-то нестационарный процесс и связать информацию с его параметрами, т.е. создать сообщение. Например, если человек что-то придумал, но держит это в своем мозге, он не является источником информации; однако он им становится, как только свою идею изложит на бумаге (в виде текста, рисунка, схемы и пр.) или выскажет словами.

В определении приемника информации важным представляется то, что факт приема сообщения еще не означает получение информации; информация может считаться полученной только в том случае, если приемнику известно правило интерпретации сообщения. Другими словами, понятия «приемник сообщения» и «приемник информации» не тождественны. Например, слыша речь на незнакомом языке, человек оказывается приемником сообщения, но не приемником информации.

Для связи с внешним миром у человека, как известно, имеются пять органов чувств. Следовательно, воспринимать сообщение мы можем только посредством одного из них (или группой органов). Это не означает, однако, что человек не может использовать для передачи и приема информации какие-то иные процессы, им не воспринимаемые, например радиоволны. В этом случае человек-источник использует промежуточное устройство, преобразующее его сообщение в радиоволны – радиопередатчик, а человек-приемник – другое промежуточное устройство – радиоприемник, преобразующий радиоволны в звук. Такой подход заметным образом расширяет возможности человека в осуществлении передачи и приема информации. Промежуточные устройства-преобразователи получили название технические средства связи, а в совокупности с соединяющей их средой они называются линией связи. К ним относятся телеграф, телефон, радио и телевидение, компьютерные телекоммуникации и пр. При использовании таких средств возникает необходимость преобразования сообщения из одного вида в другой без существенной для получателя потери информации, а также увязки скорости передачи сообщения (т.е. интервала следования и величины отдельных сигналов) с возможностями линии связи и приемника. Обе эти проблемы оказываются центральными в теории информации.