История средств реализации информационных процессов. Виды современных компьютеров

1.    Какие виды компьютеров вы знаете? Чем отличается их использование?

2.    Какие вам известны примеры применения компьютеров в различных отраслях человеческой деятельности?

3.    Назовите фамилии украинских ученых, которые внесли весомый вклад в развитие компьютерной техники.

ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СРЕДСТВ РЕАЛИЗАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ

Развитие человечества непосредственно связано с развитием средств передачи, обработки и хранения сообщений. В этом развитии можно выделить несколько этапов (табл. 2.4).

Таблица 2.4

Этапы развития средств реализации информационных процессов

ИСТОРИЯ СРЕДСТВ ОБРАБОТКИ СООБЩЕНИЙ

Рассмотрим подробнее историю средств обработки сообщений, предназначенных для выполнения вычислений. Первыми средствами обработки числовых сообщений были пальцы (рис. 2.20). Об этом свидетельствуют, например, римские цифры (I, V, X). В древней славянской нумерации единицы называли «перстами», то есть пальцами, а название цифры 5 происходит от слова «пясть» (кисть руки).

Значительным шагом вперед в развитии средств вычислений стало создание абака в V в. до н. э. в Древней Греции. Идею такого устройства греки позаимствовали у древних вавилонян. Более поздний римский вариант абака изображен на рисунке 2.21. Абак представлял собой доску с параллельными вертикальными углубленными отрезками, в которые ложились какие-то предметы, чаще всего камни.

Подобные устройства в дальнейшем были созданы в разных странах: Китае (суаньпань), Японии (соробан), России (счеты (рис. 2.22)) - и использовались до конца XX в.

Вместе с простыми и довольно распространенными устройствами типа абака еще в Древней Греции и Риме применяли различные вычислительные устройства с использованием колесиков с зубцами. Об этом свидетельствует находка с затонувшего античного судна. Ее назвали «Антикитерский механизм» по названию греческого острова, вблизи которого нашли судно в 1902 г. Но только во второй половине XX в. ученые смогли по остаткам механизма восстановить его строение и определить назначение (рис. 2.23). Созданное в 150-100 гг. до н. э. устройство использовалось как календарь, а также для автоматического определения положения небесных тел - Солнца, Луны и известных грекам планет - Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна.

Однако, к сожалению, устройства, подобные антикитерскому механизму, и научные знания, необходимые для их изготовления, были на длительное время потеряны. Активные работы по совершенствованию вычислительных устройств начались только в XVII в. с развитием промышленности, торговли, строительства, военного дела.

В 1642 г. французский математик, физик, инженер и философ Блез Паскаль (1623-1662) подал на рассмотрение королевского совета свое механическое вычислительное устройство. В дальнейшем он создал несколько десятков таких устройств (рис. 2.24). Их использовали для выполнения сложения и вычитания чисел.

Впоследствии идеи Паскаля были развиты и усовершенствованы многими математиками и инженерами. В частности, немецкий ученый Готфрид Лейбниц (1646-1716) создал первый в мире арифмометр - механическое вычислительное устройство, которое выполняло все четыре арифметических действия (рис. 2.25).

Усовершенствованные варианты арифмометров различных конструкций активно использовались на протяжении нескольких веков и были заменены электронными калькуляторами во второй половине XX в.

Одновременно с усовершенствованием арифмометров ученые пытались создать вычислительные устройства, которые могли бы автоматически проводить вычисления, выполняя команды заранее разработанной программы. Одним из первых идею создания автоматизированной машины для вычислений выдвинул английский математик и конструктор Чарльз Беббидж (1792-1871) (рис. 2.26). Он назвал свое устройство аналитической машиной.

Согласно проекту Беббиджа, аналитическая машина имела следующие составные части:

1.    «Склад» для хранения чисел (в современной терминологии - память).

2.    «Мельница» для выполнения арифметических операций над числами (в современной терминологии - арифметическое устройство).

3.    Устройство, которое управляет последовательностью выполнения арифметических операций (в современной терминологии - устройство управления).

4.    Устройство для ввода начальных (входных) данных.

5.    Устройство вывода результатов.

Ада Лавлейс (1815-1852) (рис. 2.27), дочь известного английского поэта Джорджа Байрона, работала вместе с Беббиджем над созданием проекта аналитической машины и его реализацией. Она впервые описала основные принципы разработки программ для вычислительных машин. В связи с этим Ада Лавлейс считается первым в мире программистом, и в ее честь назван один из современных языков программирования Ada.

К концу XIX в. устройства для вычислений были ручными или механическими (рис. 2.28). И только в конце XIX в. американский ученый Герман Холлерит (1860-1929) предложил новое устройство, работа которого основывалась на ис-

пользовании электрического тока, - табулятор (рис. 2.29). Он был предназначен для обработки данных переписи населения. Данные о конкретном человеке записывали не на бумаге, а отмечались отверстиями в строго определенных местах персональной карты - перфокарты.

Перфорация (лат. perforate - продырявливать) - пробивка отверстий, совокупность отверстий.

Основанная Холлеритом в 1896 г. фирма по массовому выпуску табуляторов, претерпев ряд реорганизаций и смену собственников, с 14 февраля 1924 г. стала называться IBM Corporation. Сегодня - это один из основных производителей мощных компьютеров.

До середины XX в. разрабатывались различные конструкции механических и электромеханических вычислительных устройств. Они позволяли значительно ускорить процесс вычисления.

В конце 30-х и в 40-х годах XX в. ученые и конструкторы разных стран создали качественно новые вычислительные машины, в которых, как правило, использовались электрические устройства. Так, в Германии в 1941 г. Конрад Цузе (1910-1995) (рис. 2.30) создал первую вычислительную машину на электромеханических реле, которую назвал Z3. В ней использовалось двоичное кодирование. В 1950 г. он создал компьютер на электронных лампах - Z4.

В 1941 г. в США Джон Винсент Атанасов (1903-1995) вместе со своим ассистентом Клиффордом Берри (1918-1963) создал первый компьютер на электронных лампах с использованием двоичного кодирования - ABC (англ. Atanasoff Berry Computer). Чуть позже (1939-1944), также в США, Говард Эйкен (1900-1973) в сотрудничестве с IBM создал вычислительную машину Mark-1 на электромагнитных реле с автоматическим управлением последовательностью операций.

В 1943-1944 гг. в условиях полной секретности ученые Великобритании создали вычислительную машину Colossus, предназначенную для дешифровки радиограмм фашистской Германии. От других машин того времени ее отличало то, что программа, по которой она работала, сохранялась в памяти самой машины.

В 1943-1946 гг. в США Джон Моучли (1907-1980) и Преспер Эккерт (1919-1995) создали ENIAC (англ. Electronic Numerical Integrator and Calculator - электронный цифровой интегратор и вычислитель) - электронную вычислительную машину (ЭВМ), которая содержала 18 000 электронных ламп, весила 30 т и выполняла 5000 операций в секунду (рис. 2.31). После завершения этого проекта они сразу начали работу над новым

компьютером по заказу военного ведомства США - EDVAC (англ. Electronic Discrete Variable Automatic Computer - электронный дискретно переменный автоматический вычислитель). К разработке привлекли известного американского математика Джона фон Неймана (1903-1957), который в статье «Предварительный доклад о машине EDVAC» сформулировал основные принципы построения универсальной вычислительной машины. Несмотря на то, что эти идеи разработали Эккерт и Моучли, они стали известны всему миру как «принципы фон Неймана».

Широкое распространение компьютеры получили после появления большого количества сравнительно дешевых вычислительных машин - так называемых мини-ЭВМ, которые в дальнейшем стали называться персональными компьютерами. Первые из них продавались в виде электронных конструкторов, из деталей которых пользователь мог самостоятельно собрать компьютер, используя телевизор в качестве монитора. Первыми персональными стали компьютеры, разработанные фирмами: MITS (англ. Micro Instrumentation and Telemetry Systems - системы микроинструментов и телеметрии) - компьютер Altair 8800 (1975 г.); Apple Computer Company -компьютер Apple (1976 г.); IBM - компьютер IBM PC (1981 г.). Все более увеличивающееся распространение персональных компьютеров значительно расширяет круг задач, решаемых с использованием ЭВМ.

Подробнее историю развития вычислительной техники можно рассмотреть в хронологической таблице в приложении 3, которое можно просмотреть на сайте Інформатика для всіх (allinf.at.ua) в разделе Матеріали до підручників. 8 клас. Підручник.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ В УКРАИНЕ

В 1951 г. в Киеве под руководством Сергея Алексеевича Лебедева (19021973) была введена в действие универсальная ЭВМ с программой, хранившейся в памяти, - МЭСМ (Малая Электронная Счетная Машина). Это была первая ЭВМ в Советском Союзе. Она имела такие характеристики:

•    общее количество электронных ламп - около 6000;

•    двоичная система кодирования данных;

•    количество разрядов - 16 для кодирования числа и один для кодирования знака;

•    емкость запоминающего устройства - 31 число и 63 команды;

•    быстродействие - около 3000 операций в минуту.

Первые программы для этой ЭВМ составила К.Л. Ющенко (1919-2001). В Киеве разработку вычислительных машин продолжили в Институте кибернетики, который возглавил выдающийся ученый В.М. Глушков (19231982). Под его руководством завершена разработка ЭВМ Киев (1959 г., разработчики Б.В. Гнеденко, Л.М. Дашевский, К.Л. Ющенко), создана серия универсальных ЭВМ Днепр (1961 г., главный конструктор Б.Н. Малиновский), ЭВМ для инженерных расчетов Луч (1963 г.), серии ЭВМ для инженерных расчетов МИР (машина для инженерных расчетов, 1960-е гг.) и ряда ЭВМ для военных целей. За выдающиеся достижения в развитии информатики в 1996 г. Международное компьютерное сообщество (IEEE Computer Society) наградило В.М. Глушкова медалью «Компьютерный пионер» (рис. 2.35).

Значительный вклад в развитие компьютерной техники для ракетной отрасли сделали коллективы научно-производственных объединений, конструкторских бюро из разных городов Украины. Так, в Северодонецком НПО «Импульс» производились электронные вычислительные машины для систем управления производством М6000-М7000, клавишные ЭВМ Искра, средства для автоматического управления баллистическими ракетами. В Киевском НПО «Кристалл» спроектирован, а в г. Светловодске производился первый в Советском Союзе и Европе микрокалькулятор Электроника (рис. 2.36).

В 70-90-е гг. XX в. Харьковское НПО «Хар-трон» и Киевский радиозавод разрабатывали и изготавливали ЭВМ для установки на ракетнокосмических комплексах.

Разработана конструкция и организован серийный выпуск ЭВМ «Карат» (Киевский научноисследовательский институт радиоэлектроники и Киевский завод «Буревестник», 70-80-е гг.

XX в.) для управления надводными и подводными кораблями.

В 1975 г. в Институте кибернетики АН УССР под руководством Н.М. Амосова спроектирован первый в СССР автономный транспортный робот ТАИР (рис. 2.37), который мог двигаться в естественной среде, минуя преграды.

Ученые и инженеры Украины в течение 6080-х гг. XX в. разработали много компьютеров для различных ракетных комплексов. Так, для крупнейшей в мире баллистической ракеты Р-36М2 («Сатана») производства Днепропетровского НПО «Южный машиностроительный завод» специалисты Харьковского НПО «Электроприбор» и ВО «Киевский радиозавод» создали бортовую ЭВМ, которая обеспечивала управление запуском ракеты и ее полетом (рис. 2.38).

Сейчас эту ракету используют для вывода на орбиту Земли спутников по международной программе «Днепр».

ВИДЫ СОВРЕМЕННЫХ КОМПЬЮТЕРОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Вы знаете, что самыми распространенными сегодня являются так называемые персональные компьютеры (ПК), среди которых различают стационарные и мобильные (портативные). Стационарные ПК в свою очередь делятся на офисные, домашние, игровые и т. п. А мобильные - на ноутбуки, нетбуки, планшетные ПК, смартфоны и т. п.

Для решения задач, требующих больших объемов сложных вычислений, например для расчетов прогноза погоды на несколько дней или недель, используют мощные компьютеры. Крупнейшие из них называют суперкомпьютерами. Так, в середине 2015 г. самым мощным компьютером в мире был компьютер Tianhe-2 (рис. 2.39), созданный в Китайском национальном университете оборонных технологий (Гуанчжоу). Он построен на базе процессоров Intel Xeon с общим количеством ядер 3 млн 120 тыс.

В наше время компьютеры используют в науке, промышленности, торговле, управлении, банковской системе, образовании, медицине, транспорте, связи, сельском хозяйстве, системе социального обеспечения и других отраслях деятельности человека.

Примером применения компьютеров в научной сфере является проведение так называемых компьютерных экспериментов. Ведь проведение многих научных исследований связано со значительными трудностями - материальными, техническими, энергетическими и т. п. Например, чтобы изучить процессы, происходящие во время расщепления атомных ядер, нужно строить атомные реакторы, а этот процесс длительный, сложный, опасный и требует больших затрат денежных средств. Во многих случаях создать соответствующие реальные условия эксперимента вообще невозможно, например, невозможно управлять процессами, которые происходят в какой-то далекой галактике. В таких случаях явление изучают по его информационной модели с использованием компьютерной техники и соответствующего программного обеспечения.

Важную роль играет компьютер на производстве. Моделирование и конструирование различных изделий с использованием компьютера значительно сокращает срок их разработки, повышает их эффективность и качество, снижает стоимость. Например, если до применения компьютера в проектировании новой модели автомобиля с момента возникновения идеи до ее производства проходило 5-6 лет, то теперь - менее одного года.

В сфере обслуживания компьютер используют для хранения и обработки различных данных: текстов, таблиц, баз данных, рисунков и фотографий, мультимедийных данных. Трудно назвать такое учреждение, где бы не использовали компьютеры. Картотеки в библиотеках и больницах, выполненные на основе компьютерной базы данных, во много раз надежнее и удобнее в работе, чем традиционные бумажные. Бухгалтер сегодня использует компьютер и за несколько минут имеет результаты, на получение которых раньше ему были нужны часы или дни. Банкир, не выходя из своего кабинета, имеет возможность следить за состоянием дел на бирже, простым нажатием клавиши перевести на любой счет определенную сумму денег.

Основными направлениями использования компьютерной техники являются:

•    выполнение объемных вычислений и вычислений с высокой точностью;

•    создание компьютерных моделей объектов и проведение компьютерных экспериментов;

•    обеспечение функционирования автоматизированных систем управления;

•    обеспечение хранения и обработки больших объемов данных;

•    обеспечение быстрого обмена данными;

•    управление промышленной, бытовой и военной техникой с использованием встроенных компьютеров;

•    поддержка изучения учебных предметов;

•    организация дистанционной формы обучения учащихся, студентов, специалистов, особенно полезно для удаленных малых населенных пунктов, для людей с ограниченными возможностями и т. п.

КОНФИГУРАЦИЯ КОМПЬЮТЕРА В СООТВЕТСТВИИ С ПОТРЕБНОСТЯМИ

В зависимости от того, для каких целей будет использоваться компьютер, подбирают его составляющие (конфигурацию). При этом особое внимание обращают на значение следующих свойств:

•    мощность процессора - определяется значением нескольких свойств - тактовой частотой, количеством ядер, объемом кэш-памяти второго и третьего уровней. Чем больше значения этих свойств, тем производительнее процессор;

•    объем оперативной памяти - чем больше значение, тем выше производительность компьютера;

•    емкость накопителя на жестких магнитных дисках - в зависимости от объемов данных, с которыми работает пользователь: для видео-, графических и аудиоданных нужны НЖМД большей емкости, чем для работы с текстовыми данными;

•    наличие отдельного видеоадаптера - положительно влияет на скорость обработки видеоданных. А скорость обработки данных видеоадаптером зависит от производительности процессора видеоадаптера и объема видеопамяти;

•    качество отображения данных монитором, которое зависит от размеров монитора, разрешения и скорости отклика.

Конечно, могут существенно влиять на выбор компьютера и значения других свойств, таких как наличие устройства для работы с оптическим диском, особенностей материнской платы, продолжительность работы в автономном режиме (для мобильных устройств), наличие средств подключения к компьютерным сетям разного типа и т. п. На выбор компьютеров будет существенно влиять и их стоимость.

Значительная часть интернет-магазинов предлагает отбирать компьютеры, используя так называемые «умные фильтры». Например, сайт Hotline (http://hotline.ua/computer/) в зависимости от назначения предлагает следующие группы компьютеров: ПК начального уровня, Компьютер для рабо-ты\учебы, Рабочая станция, Базовая оптимальная конфигурация, Универсальная оптимальная конфигурация, Прогрессивная оптимальная конфигурация, Мощный игровой ПК. Сайт Розетка (http://rozetka.com.ua/ computers-notebooks) предлагает только три группы компьютеров: Начальный уровень, Для работы и учебы, Игровые компьютеры.

Стоимость системных блоков стационарных компьютеров при этом изменяется в довольно широком диапазоне - от 2,5 до 120 тыс. грн. Приведем примеры значений основных свойств настольных персональных компьютеров для предложенной выше классификации (табл. 2.5).

Таблица 2.5

Примеры значений свойств компьютеров различного назначения

Первые устройства для проведения вычислений были созданы человеком несколько тысячелетий назад. Значительный вклад в развитие вычислительной техники сделали Б. Паскаль, Г. Лейбниц, Ч. Беббидж, А. Лавлейс, Г. Холлерит. Первые электронные вычислительные машины были созданы в 40-50-х гг. ХХ в. К. Цузе (Z4), Д.В. Атанасовым и К. Берри (ABC), Г. Эйкеном (Mark-1), группой английских ученых (Colossus), Д. Моучли и П. Эккертом (ENIAC), коллективом советских ученых под руководством С. Лебедева (МЭСМ).

В Украине разработали первые в Советском Союзе компьютеры. В разработке ЭВМ для различных отраслей экономики и для управления военной техникой участвовали десятки предприятий и организаций из разных уголков Украины. Ведущей организацией стал Институт кибернетики Академии наук Украины под руководством В.М. Глушкова.

Среди компьютеров, в зависимости от назначения и скорости обработки, выделяют суперкомпьютеры и персональные компьютеры. Последние делят на стационарные и мобильные. Стационарные компьютеры делят на офисные, домашние, игровые и т. п. А мобильные - на ноутбуки, нетбуки, планшетные ПК, смартфоны и т. п.

1°. Назовите этапы развития информационных технологий.

2*. Опишите, как менялись средства обработки сообщений на разных этапах развития информационных технологий.

3*. Объясните, в чем заслуга Б. Паскаля в развитии устройств для проведения вычислений.

4°. Чем отличался арифмометр Лейбница от устройства Паскаля?

5*. Опишите составляющие универсальной машины для вычислений, предложенной Ч. Беббиджем.

6°. Кого считают первым программистом в мире? Почему?

7*. Опишите период создания первых электронных вычислительных машин (40-50-е гг. XX в.). Какие ученые внесли значительный вклад в развитие электронных вычислительных машин в этот период?

8°. Назовите первые персональные компьютеры. Когда их создали?

9*. Опишите развитие компьютерной техники в Украине.

10*. Объясните, почему существует большая разница в значениях свойств различных компьютеров. Приведите примеры классификации персональных компьютеров.

11*. Что влияет на выбор компьютера для определенных сфер применения?

1*. Подготовьте схему классификации компьютеров, используя любую прикладную программу, которую вы знаете.

2*. Выполните в Интернете или в печатных изданиях поиск сведений о первых электронных вычислительных машинах и заполните сравнительную таблицу:

3*. Сравните значения основных свойств первых электронных вычислительных машин: американской ЕШАС и созданной в Украине МЭСМ. Результаты сравнения опишите в виде таблицы в тетради.

4*. Подготовьте сообщение о разработке украинскими учеными ЭВМ для управления атомными ледоколами.

5*. Подберите компьютер для использования в качестве домашнего мультимедийного центра. Свой выбор обоснуйте.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2

«Конфигурация компьютера в соответствии с потребностями»

Внимание! Работая с компьютером, соблюдайте правила безопасности и санитарно-гигиенические нормы.

1.    Подберите компьютеры для людей разных профессий и разных сфер применения:

•    писатель, работая в своем кабинете, использует компьютер для создания своих прозаических произведений, поиска сведений, для отправки и получения электронных писем и т. п.;

•    студент использует компьютер для подготовки учебных заданий, а также для создания собственной фонотеки, создания и редактирования учебных видеофильмов;

•    корреспондент интернет-издания использует компьютер для написания и своевременной отправки в редакцию сообщений с новостями во время командировок в разные уголки мира.

2.    По результатам выполнения задания заполните таблицу значений свойств.

3.    В текстовом процессоре создайте файл, в котором обоснуйте ваш выбор конфигурации для этих компьютеров.

4.    Файл с обоснованием отправьте по электронной почте учителю.

Это материал учебника Информатика 8 класс Ривкинд