Лекция Развитие компьютерной техники

Вид материала

Содержание

Критерием поколений ЭВМ является их элементная база
Второе поколение
По условиям эксплуатации
Персональные компьютеры
Intel Pentium Pro 200
Представление информации в компьютере
Представление графической информации в эвм.
Прогноз будущего

Подобный материал:

Лекция 1. Развитие компьютерной техники.

Содержание темы: История развития компьютерной техники, поколения ЭВМ и их классификация. Формы представления информации в ЭВМ. Принципы фон Неймана. Современные тенденции развития вычислительных систем.

В истории развития цивилизации произошло несколько информационных революций – преобразований общественных отношений из-за кардинальных изменений в сфере обработки информации. Следствием подобных преобразований являлось приобретение человеческим обществом нового качества.

Первая революция связана с изобретением письменности, что привело к гигантскому качественному и количественному скачку. Появилась возможность передачи знаний от поколения к поколениям.

Вторая революция (середина XVI в.) вызвана изобретением книгопечатания, которое радикально изменило индустриальное общество, культуру, организацию деятельности.

Третья информационная революция (конец XIX в.) обусловлена изобретением электричества, благодаря которому появились телеграф, телефон, радио, позволяющие оперативно передавать и накапливать информацию в любом объеме.

Наконец, четвертая информационная революция (70-е годы XX в.) связана с изобретением микропроцессорной технологии и появлением персонального компьютера. На микропроцессорах и интегральных схемах создаются компьютеры, компьютерные сети, системы передачи данных (информационные коммуникации). Этот период характеризуется следующими отличительными чертами:

переход от механических и электрических средств преобразования информации к электронным;
миниатюризация всех узлов, устройств, приборов, машин;
создание программно-управляемых устройств и процессов.

Однако, прежде чем эта информационная революция стала возможной, человечество проделало огромный исторический путь.

Потребность в автоматизации обработки данных, в том числе вычислений, возникла очень давно. Многие тысячи лет назад для счета использовались палочки, камешки и т.п. Более 1500 лет назад для обеспечения вычислений стали использовать счеты.

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 выполнялись даже очень сложные расчеты, например, расчеты баллистических таблиц для артиллерийских стрельб. Существовала даже специальная профессия – счетсчик – человек, работающий с арифмометром, быстро и точно соблюдающий определенную последовательность инструкций (программу).

Однако скорость таких вычислений была невелика, так как выбор выполняемых действий и запись результатов производились человеком, имеющим весьма ограниченную скорость работы.

В первой половине XIX в. английский математик Чарльз Беббидж попытался построить универсальное вычислительное устройство – аналитическую машину, которая должна была работать без участия человека. Для этого она должна была уметь исполнять программы, вводимые с помощью перфокарт (уже широко применявшихся в то время в ткацком производстве), иметь специальное устройство, в которое запоминались бы данные и промежуточные результаты. Однако техника того времени не позволила выполнить задуманную работу, но Беббиджем были разработаны все основные идеи, которые в 1941 г. были переоткрыты немецким инженером Конрадом Цузе, построившим аналогичную машину, а в 1943 г. на одном из предприятий фирмы IBM эти идеи реализовал американец Говард Эйкен. Им на основе электромеханических реле была сконструирована аналитическая машина "Марк-1".

К этому времени потребность в автоматизации вычислений стала настолько велика, что над этой проблемой работали одновременно несколько групп исследователей. К работе одной из таких групп в 1945 г. был привлечен математик Джон фон Нейман, который сформулировал общие принципы функционирования универсальных вычислительных устройств.

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.

А так как команды программы расположены в памяти друг за другом, то тем самым организуется выборка цепочки команд из последовательно расположенных ячеек памяти.

Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой-то другой, используются команды условного или безусловного переходов, 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.

2. 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.

3. 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.

Согласно этим принципам компьютер должен иметь следующие устройства (рис. 1):

арифметическо-логическое устройство (АЛУ), выполняющее арифметичеcкие и логические операции;
устройство управления (УУ), которое организует процесс выполнения программ;
запоминающее устройство или оперативную память (ОП) – легко доступную для всех устройств и предназначенную для хранения программ и данных;
внешние устройства (ВУ) для ввода и вывода информации.

В общих чертах работу компьютера можно описать так. Вначале с помощью какого-либо внешнего устройства в оперативную память компьютера вводится программа. Устройство управления считывает содержимое ячейки памяти, где находится первая команда программы и организует ее выполнение с помощью АЛУ. После выполнения этой команды УУ начинает обрабатывать другую команду, находящуюся либо в следующей ячейке памяти, либо в ячейке памяти, на которую передано управление. Этот процесс продолжается до тех пор, пока не будет выполнена последняя команда программы, после чего компьютер переходит к ожиданию каких-либо сигналов с внешних устройств. В процессе работы промежуточные результаты выполнения команд помещаются в ОП. После выполнения всей программы результаты из ОП выводятся на ВУ.

Описанные принципы функционирования вычислительных устройств остались практически неизменными для всех поколений электронно-вычислительных машин (ЭВМ), начиная с самых первых ЭВМ и заканчивая современными ПК.

Критерием поколений ЭВМ является их элементная база.

К первому поколению обычно относят машины, созданные на рубеже 50-х годов. В их схемах использовались электронные лампы. Эти компьютеры были огромными, неудобными и слишком дорогими машинами, которые могли приобрести только крупные корпорации и правительства. Лампы потребляли огромное количество электроэнергии и выделяли много тепла.

Набор команд был небольшой, схема арифметико-логического устройства и устройства управления достаточно проста, программное обеспечение практически отсутствовало. Показатели объема оперативной памяти и быстродействия были низкими. Для ввода-вывода использовались перфоленты, перфокарты, магнитные ленты и печатающие устройства.

Быстродействие порядка 10-20 тысяч операций в секунду.

Но это только техническая сторона. Очень важна и другая — способы использования компьютеров, стиль программирования, особенности математического обеспечения.

Программы для этих машин писались на языке конкретной машины. Математик, составивший программу, садился за пульт управления машины, вводил и отлаживал программы и производил по ним счет. Процесс отладки был наиболее длительным по времени.

Несмотря на ограниченность возможностей, эти машины позволили выполнить сложнейшие расчёты, необходимые для прогнозирования погоды, решения задач атомной энергетики и др.

Опыт использования машин первого поколения показал, что существует огромный разрыв между временем, затрачиваемым на разработку программ, и временем счета.

Эти проблемы начали преодолевать путем интенсивной разработки средств автоматизации программирования, создания систем обслуживающих программ, упрощающих работу на машине и увеличивающих эффективность её использования. Это, в свою очередь, потребовало значительных изменений в структуре компьютеров, направленных на то, чтобы приблизить её к требованиям, возникшим из опыта эксплуатации компьютеров.

Отечественные машины первого поколения: МЭСМ (малая электронная счётная машина), БЭСМ, Стрела, Урал, М—20

Первый шаг к уменьшению размеров и стоимости ЭВМ стал возможным с изобретением в 1948 г. транзисторов.

Второе поколение компьютерной техники — машины, сконструированные примерно в 1955—65 гг. Характеризуются использованием в них как электронных ламп, так и дискретных транзисторных логических элементов. Их оперативная память была построена на магнитных сердечниках. В это время стал расширяться диапазон применяемого оборудования ввода-вывода, появились высокопроизводительные устройства для работы с магнитными лентами, магнитные барабаны и первые магнитные диски.

Быстродействие — до сотен тысяч операций в секунду, ёмкость памяти — до нескольких десятков тысяч слов.

Появились так называемые языки высокого уровня, средства которых допускают описание всей необходимой последовательности вычислительных действий в наглядном, легко воспринимаемом виде.

Программа, написанная на алгоритмическом языке, непонятна компьютеру, воспринимающему только язык своих собственных команд. Поэтому специальные программы, которые называются трансляторами, переводят программу с языка высокого уровня на машинный язык.

Появился широкий набор библиотечных программ для решения разнообразных математических задач. Появились мониторные системы, управляющие режимом трансляции и исполнения программ. Из мониторных систем в дальнейшем выросли современные операционные системы.

Операционная система — важнейшая часть программного обеспечения компьютера, предназначенная для автоматизации планирования и организации процесса обработки программ, ввода-вывода и управления данными, распределения ресурсов, подготовки и отладки программ, других вспомогательных операций обслуживания.

Для некоторых машин второго поколения уже были созданы операционные системы с ограниченными возможностями.

Машинам второго поколения была свойственна программная несовместимость, которая затрудняла организацию крупных информационных систем. Поэтому в середине 60-х годов наметился переход к созданию компьютеров, программно совместимых и построенных на микроэлектронной технологической базе.

Следующим шагом к уменьшению размеров ЭВМ стало изобретение интегральных схем (1958 г.), состоящих из множества транзисторов со всеми необходимыми связями и составивших основу ЭВМ третьего поколения, появившихся в начале 60-х годов.

Поскольку процесс создания компьютерной техники шел непрерывно, и в нём участвовало множество людей из разных стран, имеющих дело с решением различных проблем, трудно и бесполезно пытаться установить, когда "поколение" начиналось и заканчивалось. Возможно, наиболее важным критерием различия машин второго и третьего поколений является критерий, основанный на понятии архитектуры.

Машины третьего поколения — это семейства машин с единой архитектурой, т.е. программно совместимых. В качестве элементной базы в них используются интегральные схемы, которые также называются микросхемами.

Машины третьего поколения имеют развитые операционные системы. Они обладают возможностями мультипрограммирования, т.е. одновременного выполнения нескольких программ. Многие задачи управления памятью, устройствами и ресурсами стала брать на себя операционная система или же непосредственно сама машина.

Примеры машин третьего поколения — семейства IBM—360, IBM—370, ЕС ЭВМ (Единая система ЭВМ), СМ ЭВМ (Семейство малых ЭВМ) и др.

Быстродействие машин внутри семейства изменяется от нескольких десятков тысяч до миллионов операций в секунду. Ёмкость оперативной памяти достигает нескольких сотен тысяч слов.

Дальнейшее развитие электроники привело к созданию больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС), составивших элементную основу ЭВМ четвертого поколения. Появление в 1970 г. первого микропроцессора Intel-4004 ("Intel") стало первым шагом для развития персональных компьютеров и ЭВМ нового поколения. Вместе с развитием элементной базы ЭВМ увеличивалось их быстродействие (от тысячи операций в секунду до миллиардов операций в секунду), объем памяти (от 2 Кб до сотен Гб), улучшались другие показатели.

Наиболее важный в концептуальном отношении критерий, по которому эти компьютеры можно отделить от машин третьего поколения, состоит в том, что машины четвёртого поколения проектировались в расчете на эффективное использование современных высокоуровневых языков и упрощение процесса программирования для конечного пользователя.

В аппаратурном отношении для них характерно широкое использование интегральных схем в качестве элементной базы, а также наличие быстродействующих запоминающих устройств с произвольной выборкой.

C точки зрения структуры машины этого поколения представляют собой многопроцессорные и многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств.

Разработка последующих поколений компьютеров производится на основе больших интегральных схем повышенной степени интеграции, использования оптоэлектронных принципов (лазеры, голография).

Развитие идет также по пути "интеллектуализации" компьютеров, устранения барьера между человеком и компьютером. Компьютеры будут способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой.

В компьютерах пятого поколения произойдёт качественный переход от обработки данных к обработке знаний.

Архитектура компьютеров будущего поколения будет содержать два основных блока. Один из них — это традиционный компьютер. Но теперь он лишён связи с пользователем. Эту связь осуществляет блок, называемый термином "интеллектуальный интерфейс". Его задача — понять текст, написанный на естественном языке и содержащий условие задачи, и перевести его в работающую программу для компьютера.

Будет также решаться проблема децентрализации вычислений с помощью компьютерных сетей, как больших, находящихся на значительном расстоянии друг от друга, так и миниатюрных компьютеров, размещённых на одном кристалле полупроводника.

По условиям эксплуатации компьютеры делятся на два типа:

офисные (универсальные);
специальные.

Офисные предназначены для решения широкого класса задач при нормальных условиях эксплуатации.

Cпециальные компьютеры служат для решения более узкого класса задач или даже одной задачи, требующей многократного решения, и функционируют в особых условиях эксплуатации. Машинные ресурсы специальных компьютеров часто ограничены. Однако их узкая ориентация позволяет реализовать заданный класс задач наиболее эффективно.

Специальные компьютеры управляют технологическими установками, работают в операционных или машинах скорой помощи, на ракетах, самолётах и вертолётах, вблизи высоковольтных линий передач или в зоне действия радаров, радиопередатчиков, в неотапливаемых помещениях, под водой на глубине, в условиях пыли, грязи, вибраций, взрывоопасных газов и т.п. Существует много моделей таких компьютеров.

Важное направление в создании промышленных компьютеров — разработка "операторского интерфейса" — пультов управления, дисплеев, клавиатур и указательных устройств во всевозможных исполнениях. От этих изделий напрямую зависит комфортность и результативность труда операторов.

По производительности и характеру использования компьютеры можно условно подразделить на:

микрокомпьютеры, в том числе — персональные компьютеры;
миникомпьютеры;
мэйнфреймы (универсальные компьютеры);
суперкомпьютеры.

Микрокомпьютеры — это компьютеры, в которых центральный процессор выполнен в виде микропроцессора.

Продвинутые модели микрокомпьютеров имеют несколько микропроцессоров. Производительность компьютера определяется не только характеристиками применяемого микропроцессора, но и ёмкостью оперативной памяти, типами периферийных устройств, качеством конструктивных решений и др.

Микрокомпьютеры представляют собой инструменты для решения разнообразных сложных задач. Их микропроцессоры с каждым годом увеличивают мощность, а периферийные устройства — эффективность. Быстродействие — порядка 1 — 10 миллионов опеpаций в сек.

Разновидность микрокомпьютера — микроконтроллер. Это основанное на микропроцессоре специализированное устройство, встраиваемое в систему управления или технологическую линию.

Персональные компьютеры (ПК) — это микрокомпьютеры универсального назначения, рассчитанные на одного пользователя и управляемые одним человеком.

В класс персональных компьютеров входят различные машины — от дешёвых домашних и игровых с небольшой оперативной памятью, с памятью программы на кассетной ленте и обычным телевизором в качестве дисплея (80-е годы), до сверхсложных машин с мощным процессором, винчестерским накопителем ёмкостью в десятки Гигабайт, с цветными графическими устройствами высокого разрешения, средствами мультимедиа и другими дополнительными устройствами.

Пеpсональный компьютеp должен удовлетворять следующим требованиям:

стоимость от нескольких сотен до 5 —10 тыс. долларов;
наличие внешних ЗУ на магнитных дисках;
объём оперативной памяти не менее 32 Мбайт;
наличие операционной системы;
способность работать с программами на языках высокого уровня;
ориентация на пользователя-непрофессионала (в простых моделях).

Миникомпьютерами и суперминикомпьютерами называются машины, конструктивно выполненные в одной стойке, т.е. занимающие объём порядка половины кубометра. Сейчас компьютеры этого класса вымирают, уступая место микрокомпьютерам.

Мэйнфреймы предназначены для решения широкого класса научно-технических задач и являются сложными и дорогими машинами. Их целесообразно применять в больших системах при наличии не менее 200 — 300 рабочих мест.

Централизованная обработка данных на мэйнфрейме обходится примерно в 5 — 6 раз дешевле, чем распределённая обработка при клиент-серверном подходе.

Известный мэйнфрейм S/390 фирмы IBM обычно оснащается не менее чем тремя процессорами. Максимальный объём оперативного хранения достигает 342 Терабайт.

Производительность его процессоров, пропускная способность каналов, объём оперативного хранения позволяют наращивать число рабочих мест в диапазоне от 20 до 200000 с помощью простого добавления процессорных плат, модулей оперативной памяти и дисковых накопителей.

Десятки мэйнфреймов могут работать совместно под управлением одной операционной системы над выполнением единой задачи.

Суперкомпьютеры — это очень мощные компьютеры с производительностью свыше 100 мегафлопов (1 мегафлоп — миллион операций с плавающей точкой в секунду). Они называются сверхбыстродействующими. Эти машины представляют собой многопроцессорные и (или) многомашинные комплексы, работающие на общую память и общее поле внешних устройств. Различают суперкомпьютеры среднего класса, класса выше среднего и переднего края (high end).

Архитектура суперкомпьютеров основана на идеях параллелизма и конвейеризации вычислений.

В этих машинах параллельно, то есть одновременно, выполняется множество похожих операций (это называется мультипроцессорной обработкой). Таким образом, сверхвысокое быстродействие обеспечивается не для всех задач, а только для задач, поддающихся распараллеливанию.

Что такое конвейеpная обработка? Приведем сравнение — на каждом рабочем месте конвейера выполняется один шаг производственного процесса, а на всех рабочих местах в одно и то же время обрабатываются различные изделия на всевозможных стадиях. По такому принципу устроено арифметико-логическое устройство суперкомпьютера.

Отличительной особенностью суперкомпьютеров являются векторные процессоры, оснащенные аппаратурой для параллельного выполнения операций с многомерными цифровыми объектами — векторами и матрицами. В них встроены векторные регистры и параллельный конвейерный механизм обработки. Если на обычном процессоре программист выполняет операции над каждым компонентом вектора по очереди, то на векторном — выдаёт сразу векторые команды.

Векторная аппаратура очень дорога, в частности, потому, что требуется много сверхбыстродействующей памяти под векторные регистры.

Наиболее распространённые суперкомпьютеры — массово-параллельные компьютерные системы. Они имеют десятки тысяч процессоров, взаимодействующих через сложную, иерархически организованую систему памяти.

В качестве примера рассмотрим характеристики многоцелевого массово-параллельного суперкомпьютера среднего класса Intel Pentium Pro 200. Этот компьютер содержит 9200 процессоров Pentium Pro на 200 Мгц, в сумме (теоретически) обеспечивающих производительность 1,34 Терафлоп (1 Терафлоп равен 10¹² операций с плавающей точкой в секунду), имеет 537 Гбайт памяти и диски ёмкостью 2,25 Терабайт. Система весит 44 тонны (кондиционеры для неё — целых 300 тонн) и потребляет мощность 850 кВт.

Супер-компьютеры используются для решения сложных и больших научных задач (метеорология, гидродинамика и т. п.), в управлении, разведке, в качестве централизованных хранилищ информации и т.д.

Элементная база — микросхемы сверхвысокой степени интеграции.

Здесь вы найдете описание отечественного многопроцессорного компьютера "Эльбрус".

Портативные компьютеры обычно нужны руководителям предприятий, менеджерам, учёным, журналистам, которым приходится работать вне офиса — дома, на презентациях или во время командировок.

Основные разновидности портативных компьютеров:

Laptop (наколенник, от lap> — колено и top — поверх). По размерам близок к обычному портфелю. По основным характеристикам (быстродействие, память) примерно соответствует настольным ПК. Сейчас компьютеры этого типа уступают место ещё меньшим.

Notebook (блокнот, записная книжка). По размерам он ближе к книге крупного формата. Имеет вес около 3 кг. Помещается в портфель-дипломат. Для связи с офисом его обычно комплектуют модемом. Ноутбуки зачастую снабжают приводами CD—ROM.

Многие современные ноутбуки включают взаимозаменяемые блоки со стандартными разъёмами. Такие модули предназначены для очень разных функций. В одно и то же гнездо можно по мере надобности вставлять привод компакт-дисков, накопитель на магнитных дисках, запасную батарею или съёмный винчестер. Ноутбук устойчив к сбоям в энергопитании. Даже если он получает энергию от обычной электросети, в случае какого-либо сбоя он мгновенно переходит на питание от аккумуляторов.

Palmtop (наладонник) — самые маленькие современные персональные компьютеры. Умещаются на ладони. Магнитные диски в них заменяет энергонезависимая электронная память. Нет и накопителей на дисках — обмен информацией с обычными компьютерами идет линиям связи. Если Palmtop дополнить набором деловых программ, записанных в его постоянную память, получится персональный цифровой помощник (Personal Digital Assistant).

Возможности портативных компьютеров постоянно расширяются. Например, современный карманный компьютер iPAQ 3150 располагает всем необходимым для: ведения списка задач, хранения записок, включая аудиофайлы, работы с календарем, чтения электронной почты, синхронизации с РС, мобильным телефоном. Помимо этого iPAQ позволяет: проигрывать видео и звуковые ролики, бродить по Интернету, просматривать и редактировать документы и электронные таблицы, хранить файлы, искать в них слова, просматривать картинки вести домашнюю бухгалтерию, играть в игры, читать электронные книги с помощью Microsoft Reader, полноценно работать с программным обеспечением.

Представление информации в компьютере

В ПК используются 2 символа - ноль и единица (0 и 1), аналогично тому, как в азбуке Морзе используются точка и тире. Действительно, закодировав привычные человеку символы (буквы, цифры, знаки) в виде нулей и единиц (или точек и тире), можно составить, передать и сохранить любое сообщение.

Это связано с тем, что информацию, представленную в таком виде, легко технически смоделировать, например в виде электрических сигналов. Если в какой - то момент времени по проводнику идет ток, то по нему передается единица, если тока нет - ноль. Аналогично, если направление магнитного поля на каком - то участке поверхности магнитного диска одно - на этом участке записан ноль, другое - единица. Если определенный участок поверхности оптического диска отражает лазерный луч - на нем записан ноль, не отражает - единица. Оперативная память состоит из очень большого числа триггеров - электронных схем, состоящих из двух транзисторов. Триггер может сколь угодно долго находиться в одном из двух состояний - когда один транзистор открыт, а другой закрыт, или наоборот. Одно состояние обозначается нулем, а другое единицей.

Объем информации, необходимый для запоминания одного из двух символов - 0 или 1, называется 1 бит (англ. binary digit - двоичная единица). 1 бит - минимально возможный объем информации.

Итак, если у нас есть один бит, то с его помощью мы можем закодировать один из двух символов - либо 0, либо 1.

Если же есть 2 бита, то из них можно составить один из четырех вариантов кодов: 00 , 01 , 10 , 11 .

Если есть 3 бита - один из восьми: 000 , 001 , 010 , 100 , 110 , 101 , 011 , 111 .

Закономерность очевидна:

1 бит - 2 варианта,

2 бита - 4 варианта,

3 бита - 8 вариантов;

4 бита - 16 вариантов,

5 бит - 32 варианта,

6 бит - 64 варианта,

7 бит - 128 вариантов,

8 бит - 256 вариантов,

9 бит - 512 вариантов,

10 бит - 1024 варианта,

....................

N бит - 2 в степени N вариантов.

В обычной жизни нам достаточно 150 - 160 стандартных символов (больших и маленьких русских и латинских букв, цифр, знаков препинания, арифметических действий и т.п.). Если каждому из них будет соответствовать свой код из нулей и единиц, то 7 бит для этого будет недостаточно (7 бит позволят закодировать только 128 различных символов), поэтому используют 8 бит.

Стандартный набор из 256 символов называется ASCII ( произносится "аски", означает "Американский Стандартный Код для Обмена Информацией" - англ. American Standart Code for Information Interchange).

Он включает в себя большие и маленькие русские и латинские буквы, цифры, знаки препинания и арифметических действий и т.п.

Каждому символу ASCII соответствует 8 - битовый двоичный код, например:

A - 01000001,

B - 01000010,

C - 01000011,

D - 01000100,

и т.д.

Таким образом, если человек создает текстовый файл и записывает его на диск, то на самом деле каждый введенный человеком символ хранится в памяти компьютера в виде набора из восьми нулей и единиц. При выводе этого текста на экран или на бумагу специальные схемы - знакогенераторы видеоадаптера (устройства, управляющего работой дисплея) или принтера образуют в соответствии с этими кодами изображения соответствующих символов.

Набор ASCII был разработан в США Американским Национальным Институтом Стандартов (ANSI), но может быть использован и в других странах, поскольку вторая половина из 256 стандартных символов, т.е. 128 символов, могут быть с помощью специальных программ заменены на другие, в частности на символы национального алфавита, в нашем случае - буквы кириллицы. Поэтому например, передавать по электронной почте за границу тексты, содержащие русские буквы, бессмысленно. В англоязычных странах на экране дисплея вместо русской буквы Ь будет высвечиваться символ английского фунта стерлинга, вместо буквы р - греческая буква альфа, вместо буквы л - одна вторая и т.д.

Объем информации, необходимый для запоминания одного символа ASCII называется 1 байт.

Остальные единицы объема информации являются производными от байта:

1 килобайт = 1024 байта и соответствует примерно половине страницы текста,

1 мегабайт = 1024 килобайтам и соответствует примерно 500 страницам текста,

1 гигабайт = 1024 мегабайтам и соответствует примерно 2 комплектам энциклопедии,

1 терабайт = 1024 гигабайтам и соответствует примерно 2000 комплектам энциклопедии.

Обратите внимание, что в информатике смысл приставок кило -, мега - и других в общепринятом смысле выполняется не точно, а приближенно, поскольку соответствует увеличению не в 1000, а в 1024 раза.

Представление графической информации в эвм.

К

ак и любая другая информация в ПК, графические изображения хранятся, обрабатываются и передаются по линиям связи в закодированном виде - т.е. в виде большого числа бит - нулей и единиц. Существует большое число разнообразных программ, работающих с графическими изображениями. В них используются самые разные графические форматы - т.е. способы кодирования графической информации. Расширения имен файлов, содержащих изображение, указывают на то, какой формат в нем использован, а значит какими программами его можно просмотреть, изменить (отредактировать), распечатать.

Несмотря на все это разнообразие существует только два принципиально разных подхода к тому, каким образом можно представить изображение в виде нулей и единиц (оцифровать изображение):

При использовании растровой графики с помощью определенного числа бит кодируется цвет каждого мельчайшего элемента изображения - пиксела. Изображение представляется в виде большого числа мелких точек, называемых пикселами. Каждый из них имеет свой цвет, в результате чего и образуется рисунок, аналогично тому, как из большого числа камней или стекол создается мозаика или витраж, из отдельных стежков - вышивка, а из отдельных гранул серебра - фотография. При использовании растрового способа в ПК под каждый пиксел отводится определенное число бит, называемое битовой глубиной. Каждому цвету соответствует определенный двоичный код (т.е. код из нулей и единиц). Например, если битовая глубина равна 1, т.е. под каждый пиксел отводится 1 бит, то 0 соответствует черному цвету, 1 - белому, а изображение может быть только черно - белым. Если битовая глубина равна 2, т.е. под каждый пиксел отводится 2 бита, 00 - соответствует черному цвету, 01 - красному , 10 - синему , 11 - черному , т.е. в рисунке может использоваться четыре цвета. Далее, при битовой глубине 3 можно использовать 8 цветов, при 4 - 16 и т.д. Поэтому, графические программы позволяют создавать изображения из 2, 4, 8, 16 , 32, 64, ... , 256, и т.д. цветов. Понятно, что с каждым увеличением возможного количества цветов (палитры) вдвое, увеличивается объем памяти, необходимый для запоминания изображения (потому что на каждый пиксел потребуется на один бит больше).

Основным недостатком растровой графики является большой объем памяти, требуемый для хранения изображения. Это объясняется тем, что нужно запомнить цвет каждого пиксела, общее число которых может быть очень большим. Например, одна фотография среднего размера в памяти компьютера занимает несколько Мегабайт, т.е. столько же, сколько несколько сотен (а то и тысяч) страниц текста.

При использовании векторной графики в памяти ПК сохраняется математическое описание каждого графического примитива - геометрического объекта (например, отрезка, окружности, прямоугольника и т.п.), из которых формируется изображение. В частности, для отрисовки окружности достаточно запомнить положение ее центра, радиус, толщину и цвет линии. По этим данным соответствующие программы построят нужную фигуру на экране дисплея. Понятно, что такое описание изображения требует намного меньше памяти (в 10 - 1000 раз) чем в растровой графике, поскольку обходится без запоминания цвета каждой точки рисунка.

Основным недостатком векторной графики является невозможность работы с высококачественными художественными изображениями, фотографиями и фильмами. Природа избегает прямых линий, правильных окружностей и дуг. К сожалению, именно с их помощью (поскольку эти фигуры можно описать средствами математики, точнее - аналитической геометрии) и формируется изображение при использовании векторной графики. Попробуйте описать с помощью математических формул, картины И.Е.Репина или Рафаэля! (Но не "Черный квадрат" К.Малевича!) Поэтому основной сферой применения векторной графики является отрисовка чертежей, схем, диаграмм и т.п.

Как отличить векторную графику от растровой? Если Вы видите на экране фотографию или рисунок с близким к естественному изображением, с большим числом цветов и оттенков, то, скорее всего, Вы имеете дело с растровой графикой. Если чертеж, диаграмму, простой стилизованный рисунок, - с векторной. Если программа позволяет стирать, копировать или перемещать целые фрагменты (площади) изображения, то это растровая графика. Если удалить, скопировать, переместить можно только какие - то определенные фигуры или их части, то это графика векторная.

Файлы *.bmp , *.pcx , *.gif , *.msp , *.img и др. соответствуют форматам растрового типа, *.dwg , *.dxf , *.pic и др. - векторного.

Иногда, правда, растровые изображения могут входить в состав векторных как отдельные графические примитивы.

Прогноз будущего

2006-2010

Развитие систем ИИ доходит до такого уровня, что средний пользователь не сможет отличить компьютерного персонажа от живого человека. А еще через пару лет ИИ успешно сдает школьные экзамены - хотя разумным, в человеческом понимании, он от этого не становится. До искусственных созданий, обладающих собственным сознанием, еще далеко, тем не менее долгожданный прорыв в этой области приводит к резкому повышению «интеллекта» у домашних электронных устройств. На прилавках появляются первые бытовые приборы, способные не только выполнять свои функции, но и поддерживать разговор или хотя бы понимать голосовые команды.

В Топ-20 попадает группа, в которой голосовые партии исполняет компьютер (собственно, и сегодня роль компьютера при обработке голосовых партий переоценить трудно), а ближе к концу декады признания добивается и компьютерный композитор. И даже тогда, когда автором и исполнителем значится человек, вероятнее всего, он активно использовал компьютеры как при написании песни, так и при записи. Разумеется, на фоне этих успехов появление нормального голосового интерфейса с ПК проходит почти незаметно.

Большая часть новых автомобилей комплектуется модулями GPS и сенсорами самого разного назначения. Эти системы постепенно преобразуются в автоматического второго пилота — он еще не готов взять управление на себя полностью, но вполне может пригодиться для несложных, но надоедливых задач (например, при движении в пробке) или выполнять роль гида в незнакомом городе, обращая внимание водителя на достопримечательности.

Увлечение онлайновыми играми приобретает характер эпидемии и начинает рассматриваться властями как национальная проблема. Впрочем, никаких особенных мер противодействия играм так и не придумано. В Интернете, меж тем, уже больше миллиарда пользователей, и эти пользователи оставляют в Сети все больше информации о себе. Это и плохо, и хорошо. Хорошо - потому что социальные связи укрепляются (благодаря поиску можно заранее составить предварительное мнение о собеседнике, проанализировав его сетевую активность). Плохо - потому что иногда эти связи укрепляются уж слишком сильно (и, благодаря успехам в разработке ИИ, не всегда с людьми -к концу десятилетия нередки случаи разводов из-за виртуальных романов, причем порой в роли разлучника или разлучницы выступает не человек, а продвинутый компьютерный бот).

Все большее влияние приобретают электронные сообщества, которые со временем станут чуть ли не самыми главными общественными образованиями, благо средства электронной коммуникации не ограничены почтой или ICQ — при желании можно и поговорить и даже увидеться через Интернет, что особенно нравится пожилым людям, которые часто страдают от одиночества (а пожилых в развитых странах становится все больше и больше, так как рождаемость падает, а продолжительность жизни увеличивается). Электронные сообщества растут как количественно, так и качественно - в некоторых из них уже больше 100 млн. активных участников. Члены сообществ зачастую относятся к своему виртуальному образу не менее серьезно, чем к внешнему виду, благодаря чему набирает обороты индустрия виртуальной косметики, виртуальной кройки и шитья и даже пластической хирургии для аватаров.

Под упомянутыми выше блогами понимаются не привычные для нас текстовые блоги, а видеодневники - появились технологии, позволяющие записывать на видео любые события в фоновом режиме, и даже «черные ящики», постоянно ведущие архив событий, которые произошли с их владельцем. Делать «записи» в блог можно откуда угодно и как угодно: хочешь, видео отправь, хочешь - аудио.

Активность в Интернете сопряжена с получением бесконечного количества почтовых адресов, аккаунтов в инстант-мес-сенджерах и клиентах IP-телефонии и т. д. и т. п. Поскольку это неудобно, в конце десятилетия появляется технология, позволяющая привязаться к единому «адресу», на который можно и позвонить, и написать.

С появлением эффективных и незаметных онлайновых переводчиков Интернет становится по-настоящему интернациональным. Человеку, задавшему предпочтительный для себя язык просмотра веб-страниц, даже не приходится задумываться, на каком языке были написаны документы.

Появится множество переносных потребительских устройств для мониторинга биологической активности, включая мониторинг состава крови в реальном времени. Медицинские карточки в больницах станут электронными и мультимедийными (как, впрочем, и патенты на новейшие разработки). Все эти данные (а равно и данные о стиле жизни) будут учитываться для определения выплат при страховании жизни, так что минусы у такой навязчивой заботы тоже есть.

Совершенно новые устройства - эмоциональные детекторы — применяются при наборе на работу специалистов по работе с клиентами. Схожие, но более простые чипы используются в ювелирной продукции, которая теперь умеет по желанию хозяина менять и цвет, и форму.

Старые добрые винчестеры постепенно уступают место флэш-памяти, которая используется для ежедневных нужд, тогда как жесткие диски применяются для архивного хранения. Емкость среднестатистической флэшки образца 2010 составляет 100 Гбайт - и этого все еще хватает для установки ОС и необходимых программ. На рынок, впрочем, выходят и упрощенные ОС (в том числе простейшая операционная система, загруженная в ROM). Windows продолжает терять позиции, уступая как новичкам, так и — гораздо в большей степени - Linux, но все еще установлена более чем на половине персональных компьютеров.

Мы прощаемся с PSTN. Уже до конца текущего десятилетия 90% звонков будут сделаны на мобильные телефоны и прочие переносные устройства. Оптимисты называют это конвергенцией -дескать, мобильная связь удачно дополняет стандартную телефонную связь, однако печального финала ждать недолго: последний звонок на фиксированный номер будет сделан в 2010 году.

Дома и в офисе беспроводной Интернет работает со скоростью 100 Мбит/с.

Все расчеты между компаниями ведутся в электронной форме. Да и сами компании зачастую вполне виртуальны — в том смысле, что их сотрудники могут находиться в любой точке мира и эффективно исполнять свои обязанности. Особенно если сотрудники - компьютеры, что в последнее время случается все чаще и чаще. Конечно же, в случае электронных сбоев или интернет-блокады (а такая форма корпоративных разборок совершенно не исключена) такие компании наиболее уязвимы.

Меж тем идеология открытого софта распространяется все шире и шире и уже давно не ограничивается программным обеспечением. Укрепление горизонтальных связей в социальных структурах привело к тому, что множество товаров и услуг производят сами потребители -сначала для себя, а потом и для других.

[2011 -2О2О]

Ученые увлеченно создают синтетические формы, которые рождаются, живут и умирают в оперативной памяти. Часть разработок, наиболее пригодная к коммерческой эксплуатации, немедленно попадает в руки разработчиков электронных игрушек. Постепенное стирание границ между органической жизнью и электронными формами существования приводит к тому, что в конце десятилетия происходят значительные социальные сдвиги: электронные формы жизни получают простейшие гражданские права, и теперь ИИ с задатками карьериста вполне может стать членом парламента. В 2006 году рассуждать об этом немного дико, но, возможно, в 2020-м мы будем слишком сильно зависеть от пра-пра-правнуков машины Тюринга.

Проблема онлайновых игр решилась сама собой. Их вытеснили виртуальные миры - и теперь власти столь же безуспешно пытаются бороться с новой формой электронного эскапизма. Впрочем, грань между реальным и виртуальным размыта окончательно: дошло до того, что гражданство теперь у многих двойное, причем второе гражданство -виртуальное, сиречь принадлежность к влиятельному онлайновому сообществу.

Продолжается развитие голографии, но настоящие голографические экраны, пригодные для воспроизведения видео, массово начнут продаваться только к концу десятилетия, а голографическое ТВ появится не раньше 2030-х годов. В текущем десятилетии распространено HDTV по широкополосному подключению.

Прошлые попытки ИИ преуспеть в творческом отношении во второй декаде XXI века кажутся неумелыми: четверть всех мировых знаменитостей имеет искусственное происхождение. Развитие ИИ полностью изменило и мир спорта - популярность приобретают трансляции футбольных матчей, в которых виртуальными командами управляют сложные программные комплексы.

Традиционная медицина тоже добилась кое-каких успехов. Например, медики научились оперативно «выращивать» нужные органы из собственных клеток пациента, что практически сводит на нет ситуации, когда организм отторгает пересаженный орган.

Новые технологии позволяют не вставлять, не наращивать, а выращивать новые, настоящие зубы. Решена проблема регенерации сетчатки.

Производительность ПК достигает производительности суперкомпьютеров предыдущего поколения. В кунсткамеру, где уже томятся квантовый и нейро-оптический компьютеры, перебираются еще два персонажа: ДНК-компьютер и бактериальный суперкомпьютер, в котором и сами вычисления, и хранение информации осуществляются с помощью бактерий.

Поскольку голосовое управление уже отлажено, следующая веха — мысленное управление электронными устройствами.

Если раньше GPS был водителю другом, то теперь отношение к этой технологии, мягко говоря, смешанное - новые модели автомобилей автоматически ограничивают скорость, чтобы не нарушать правила. И хочешь, а не полихачишь. Разбор любой аварии начинается с расшифровки «черного ящика», без которого автомобиль теперь не продадут.

После нескольких промежуточных вариантов на рынке появляются автомобили, оснащенные настоящими автопилотами.

Исследования сна позволили не только существенно улучшить качество сновидений (вплоть до заказа сна с конкретным сюжетом), но и дали второе дыхание обучению во сне, гипнопедии. Технология Dream Link позволяет студентам посещать лекции во сне (не очень понятно, что делать с теми, кто обычно снов не помнит, но наверняка ученые что-нибудь придумают).

Системы ИИ еще в прошлой декаде стали активно применяться в обучении, однако тогда они обычно выступали в роли помощников учителей. Теперь же ИИ (успешно получивший, кстати, диплом о высшем образовании) не только может заменить преподавателя, но, по общему мнению, обучает лучше, чем среднестатистический педагог. Впрочем, угроза безработицы висит не только над преподавателями, но и над представителями других профессий, и не в последнюю очередь — программистами, ведь подавляющую часть ПО пишут уже не люди, а компьютеры. Меняется отношение к сложным компьютерным системам - теперь это уже не утилиты, но коллеги и конкуренты. Вытеснение людей из рабочего процесса, конечно, приводит к обратной реакции — как на дрожжах растут луддитские движения, противящиеся развитию новых технологий. Однако переломить ситуацию они не в силах.

Не успели появиться принтеры, способные печатать практически неотличимые от настоящих банкноты, как нужда в них отпала. Бумажных денег больше нет, их заменили электронные средства (смарт-карты). Преобразилась и налоговая система - все большая часть налогов закладывается непосредственно в финансовые транзакции и перечисляется немедленно после совершения сделки.

Единичные кибератаки переросли в настоящие кибервойны. Виртуальных компаний все больше и больше. Основная масса трудоспособного населения работает удаленно. Те, кому не повезло уйти на пенсию в этой декаде, столкнулись с глобальным пенсионным кризисом. В некоторых странах решили увеличить возраст ухода на пенсию, чтобы хоть немного облегчить груз, который лег на хрупкие плечи бюджета.

Роботы

Роботы «пошли в массы». Модели-технички подешевели и стали доступны не только компаниям, но и обывателям. Роботы-садовники ухаживают за лужайкой, роботы-уборщики моют полы, специальные робо-ты-«убийцы» уничтожают вредных насекомых и т. д. Есть и необычные экземпляры: например, робот-поводырь или робот, обучающий танцам, но это скорее исключения из правила. Самые совершенные модели способны разобраться с большинством возникающих неполадок и в случае нужды отремонтировать себя любимого.

На автоматических фабриках, которых становится все больше, появляются первые андроиды.

[2021 -2030]

Мозговые импланты заявят о себе во весь голос только через десять лет, однако первые модели появляются уже сейчас. И первые проблемы, связанные с этим техническим новшеством: например, передача вируса от машины к человеку.

Если десять лет назад чисткой зубов занимались специальные бактерии, то теперь зубной налет счищают наноботы.

Заметные достижения десятилетия — синтетическая иммунная система, искусственные глаза, ни в чем не уступающие естественным, и генетическая концепция e-Baybies: теперь можно не просто хранить «ребенка» у себя на винте, но и вырастить человека с заданным составом ДНК. Создавать новые виды животных и растений мы, конечно, тоже уже научились, и даже умеем сжимать ДНК для создания высокоэффективных организмов, без лишних, так сказать, деталей.

Кроме того, мы занимаемся «развитием» шимпанзе и дельфинов, пытаясь «поднять» их интеллект до нашего уровня (через пятнадцать лет эти исследования приведут к созданию мозговых имплантов для приматов). Зачем мы это делаем - загадка, но еще загадочнее изобретение «умного йогурта», образованного колонией «разумных» бактерий, чей суммарный IQ равен человеческому.

Автоматические фабрики стали стандартом де-факто. Азия задыхается от безработицы. Пенсионный кризис, начавшийся в прошлом десятилетии, приводит к краху фондового рынка. Осознав, что отсрочка выхода на пенсию ничего не решает, правительства привязывают «пенсионный возраст» к медицинской истории - от каждого по возможностям.

Машинный перевод так хорош, что надобности учить языки для общения в общем-то нет. Простые персональные синхронные переводчики были еще пятнадцать лет назад, теперь же они справляются с разговором на любую тему.

Один из представителей систем ИИ тем временем получает докторскую и даже выдвигается на Нобелевскую премию. В гражданских правах электронные формы жизни полностью уравнены с людьми и даже могут участвовать в выборах (нам не известно, коснулось ли равноправие йогурта).

Кроме того, последние достижения генетической инженерии позволяют создавать роботов из органики.

Если десять лет назад люди пытались передавать по Сети физические ощущения, то теперь научились передавать и эмоции - любовь и ненависть, ярость и умиротворение.

Национальные границы, судя по всему, рухнули окончательно — по самым важным вопросам проводится общемировое голосование.

[2031 -2040]

В 2030-х годах вслед за компьютерами становимся немного умнее и мы, «разгоняя» свой мозг с помощью дополнительных модулей (системы долгосрочного хранения данных, вычислители и т. п.).

В продаже появляются домашние генетические конструкторы.

Бурными темпами идет исследование механизмов работы человеческого мозга—в 2050-х годах на основе этих разработок будет построена первая полнофункциональная модель, а чуть позже и синтетический мозг «в колбе».

Человек все еще чувствует себя царем природы, но очевидно, что роботы - и особенно полимерные андроиды — зачастую превосходят людей как физически, так и интеллектуально. В компьютере впервые эмулируется существование биологического существа, правда не факт, что занимаются этими разработками именно люди.

Тем не менее мы по-прежнему управляем роботами даже мысленно, поскольку благодаря сканированию мозговой активности роботы и компьютеры могут предугадывать команды еще до того, как они произнесены вслух.

В этом десятилетии записывается опыт. Только теперь разжиться чужим опытом можно практически безболезненно, не спотыкаясь и не проходя весь курс обучения. Высшее образование становится как бы уже и не нужным, благодаря постоянному и легкому доступу к сетевым базам данных и возможности моментальной передачи профессионального опыта.

Blog

Лекция Развитие компьютерной техники

Содержание