1. Основные понятия информатики 2 Тема Предмет информатики 4

Вид материала

Тема 6. Свойства информации
Прагматические свойства
Динамические свойства
Кто изображен на рисунке?
А какую информацию можно получить с этой картинки? Сколько здесь изображено персонажей? Всего 9 шт.
Информация, которая представлена на рисунке со зрительными искажениями. На рисунке не спирали, а окружности
Тема 9. Роль вычислительной техники в процессе информатизации
Рис. 1. Компьютеры в информационном обществе
Тема 10. Технические средства информатизации
Архитектура ЭВМ
Рис.2. Электронная вычислительная машина ENIAC
1 поколение ЭВМ
Рис. 6. Пример ЭВМ первого поколения
Рис. 7. Пример ЭВМ второго поколения
3 поколение ЭВМ
Рис. 8. Пример ЭВМ третьего поколения
4 поколение ЭВМ
Сравнение разных поколений компьютеров
Перспективы развития
Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры
...
Полное содержание

Подобный материал:

1 2 3 4 5 6 7

Тема 5. Классификация информации

Информация может быть классифицирована следующим образом:

1) по объекту - показатели качества товара, его ресурсоемкость, параметры инфраструктуры рынка, организационно-технического уровня производства, социального развития коллектива, охраны окружающей среды и т.д.

2) по принадлежности к подсистеме системы менеджмента - информация по целевой подсистеме, научному сопровождению системы, внешней среде системы, обеспечивающей, управляемой и управляющей подсистемам;

3) по форме передачи - вербальная (словесная) информация и невербальная;

4) по изменчивости во времени - условно-постоянная и условно-переменная (недолговечная);

5) по способу передачи - спутниковая, электронная, телефонная, письменная и т.д.;

6) по режиму передачи - в нерегламентные сроки, по запросу и принудительно в определенные сроки;

7) по назначению - экономическая, техническая, социальная, организационная и т.д.

8) по стадиям жизненного цикла объекта - по стадии стратегического маркетинга, научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, организационно-технологической подготовке производства и т.д.;

9) по отношению объекта управления к субъекту - между фирмой и внешней средой, между подразделениями внутри фирмы по вертикали и горизонтали, между руководителем и исполнителями, неформальные коммуникации.

Тема 6. Свойства информации

Можно привести немало разнообразных свойств информации. Каждая научная дисциплина рассматривает те свойства, которые ей наиболее важны. Систематизация существующих подходов к выделению свойств информации, позволяет говорить о том, что информации присущи следующие свойства.

Рис. 2. Свойства информации

Атрибутивные свойства - это те свойства, без которых информация не существует. К данной категории свойств относится:

неотрывность информации от физического носителя и языковая природа информации. Одно из важнейших направлений информатики как науки является изучение особенностей различных носителей и языков информации, разработка новых, более совершенных и современных. Необходимо отметить, что хотя информация и неотрывна от физического носителя и имеет языковую природу она не связана жестко ни с конкретным языком, ни с конкретным носителем.

дискретность. Содержащиеся в информации сведения, знания - дискретны, т.е. характеризуют отдельные фактические данные, закономерности и свойства изучаемых объектов, которые распространяются в виде различных сообщений, состоящих из линии, составного цвета, буквы, цифры, символа, знака.

непрерывность. Информация имеет свойство сливаться с уже зафиксированной и накопленной ранее, тем самым, способствуя поступательному развитию и накоплению.

Прагматические свойства - это те свойства, которые характеризуют степень полезности информации для пользователя, потребителя и практики. Проявляются в процессе использования информации. К данной категории свойств относится:

смысл и новизна. Это свойство характеризует перемещение информации в социальных коммуникациях, и выделяет ту ее часть, которая нова для потребителя.

полезность. Уменьшение неопределенности сведений об объекте. Дезинформация расценивается как отрицательные значения полезной информации.

ценность. Ценность информации различна для различных потребителей и пользователей.
кумулятивность. Характеризует накопление и хранение информации.

полнота. Характеризует качество информации и определяет достаточность данных для принятия решений или для создания новых данных на основе имеющихся. Чем полнее данные, тем шире диапазон методов, которые можно использовать, тем проще подобрать метод, вносящий минимум погрешностей в ход информационного процесса.

достоверность. Данные возникают в момент регистрации сигналов, но не все сигналы являются «полезными» — всегда присутствует какой-то уровень посторонних сигналов, в результате чего полезные данные сопровождаются определенным уровнем «информационного шума». Если полезный сигнал зарегистрирован более четко, чем посторонние сигналы, достоверность информации может быть более высокой. При увеличении уровня шумов достоверность информации снижается. В этом случае для передачи того же количества информации требуется использовать либо больше данных, либо более сложные методы.

адекватность — это степень соответствия реальному объективному состоянию дела. Неадекватная информация может образовываться при создании новой информации на основе неполных или недостоверных данных. Однако и полные, и достоверные данные могут приводить к созданию неадекватной информации в случае применения к ним неадекватных методов.

доступность (мера возможности получить ту или иную информацию). На степень доступности информации влияют одновременно как доступность данных, так и доступность адекватных методов для их интерпретации. Отсутствие доступа к данным или отсутствие адекватных методов обработки данных приводят к одинаковому результату: информация оказывается недоступной. Отсутствие адекватных методов для работы с данными во многих случаях приводит к применению неадекватных методов, в результате чего образуется неполная, неадекватная или недостоверная информация.

актуальность (степень соответствия информации текущему моменту времени). Нередко с актуальностью, как и с полнотой, связывают коммерческую ценность информации. Поскольку информационные процессы растянуты во времени, то достоверная и адекватная, но устаревшая информация может приводить к ошибочным решениям. Необходимость поиска (или разработки) адекватного метода для работы с данными может приводить к такой задержке в получении информации, что она становится неактуальной и ненужной. На этом, в частности, основаны многие современные системы шифрования данных с открытым ключом. Лица, не владеющие ключом (методом) для чтения данных, могут заняться поиском ключа, поскольку алгоритм его работы доступен, но продолжительность этого поиска столь велика, что за время работы информация теряет актуальность и, соответственно, связанную с ней практическую ценность.

объективность и субъективность. Понятие объективности информации является относительным. Это понятно, если учесть, что методы являются субъективными. Более объективной принято считать ту информацию, в которую методы вносят меньший субъективный элемент. В ходе информационного процесса степень объективности информации всегда понижается. Это свойство учитывают, например, в правовых дисциплинах, где по-разному обрабатываются показания лиц, непосредственно наблюдавших события или получивших информацию косвенным путем (посредством умозаключений или со слов третьих лиц).

Динамические свойства - это те свойства, которые характеризуют изменение информации во времени.

рост информации. Движение информации в информационных коммуникациях и постоянное ее распространение и рост определяют свойство многократного распространения или повторяемости. Хотя информация и зависима от конкретного языка и конкретного носителя, она не связана жестко ни с конкретным языком, ни с конкретным носителем. Благодаря этому информация может быть получена и использована несколькими потребителями. Это свойство многократной используемости и проявление свойства рассеивания информации по различным источникам.

старение. Информация подвержена влиянию времени.

Основные требования, предъявляемые к качеству информации

Среди требований, предъявляемых к информации, можно выделить следующие:

своевременность;
достоверность (с определенной вероятностью);
достаточность;
надежность (с определенной степенью риска);
комплектность системы информации;
адресность;
правовая корректность информации;
многократность использования;
высокая скорость сбора, обработки и передачи;
возможность кодирования;
актуальность информации.

Практически это можно использовать так:

Формы подачи информации

Кто изображен на рисунке? Заяц? Утка?	Кто изображен на рисунке? Заяц? Утка?

А какую информацию можно получить с этой картинки? Сколько здесь изображено персонажей? Всего 9 шт.	Информация, которая представлена на рисунке со зрительными искажениями. ВСЕ прямые на рисунке ПАРАЛЛЕЛЬНЫ

Информация, которая представлена на рисунке со зрительными искажениями. На рисунке не спирали, а окружности	А что изображено на этом рисунке? Что Вы видите – люди смотрят с балкона вниз или Вы видите ограду около газона?

Тема 9. Роль вычислительной техники в процессе информатизации

Компьютеры в информационном обществе стали естественной его составляющей и элементом повседневной жизни каждого человека, хотя часто мы их просто не замечаем. Трудно сегодня найти хотя бы одну область деятельности людей, где бы не применялись компьютеры или ту, которая хотя бы косвенно не зависела от их применения. Часто компьютеры отличаются от годами устоявшегося представления об ЭВМ. Достаточно привести пример банковского автомата для выдачи наличных денег, системы управления современным автомобилем, цифровую фотокамеру или просто микроволновую печь. Все они являются сами по себе компьютерами, включают их в качестве своих составных элементов.

Именно поэтому в последнее время к основным компонентам средств, способствующим обработке информации, причисляют и бытовую электронику (теле-, аудио-, видео- и другое оборудование), начинающую играть все большую роль в экономической жизни отдельных членов информационного общества, выступая в роли важнейших оконечных устройств приема/передачи и накопления данных, информации и знаний.

Рис. 1. Компьютеры в информационном обществе

Электронные вычислительные машины (ЭВМ), или, как их все чаще называют, компьютеры (от английского слова COMPUTE - вычислять, подсчитывать), - одно из самых удивительных творений человека. Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь.

Однако только в 40-е годы ХХ-го столетия было положено начало созданию вычислительных машин современной архитектуры и с современной логикой - современных электронных вычислительных машин. С тех пор за исторически очень короткий срок компьютеры - благодаря огромным успехам электроники - проделали такой путь в своем техническом совершенствовании и масштабах применения и влияния на человеческое общество, с каким не сравнится никакое другое изобретение человечества, включая атомную энергию и космическую технику. Да и последние не могли бы получить столь мощного развития без использования достижений вычислительной техники.

Кратко характеризуя темпы развития вычислительной техники, можно сослаться на образное сравнение в журнале «Сайнтифик Америкэн» (декабрь 1982 г.): «Если бы авиапромышленность в последние 25 лет развивалась столь же стремительно, как и промышленность средств вычислительной техники, то сейчас самолет «Боинг-767» стоил бы 500 долларов, совершал бы облет земного шара за 20 минут, затрачивая при этом 5 галлонов (примерно 20 литров) топлива». Приведенные цифры весьма ярко отражают относительное снижение стоимости, рост быстродействия и повышение экономичности ЭВМ.

Однако с появлением ЭВМ возникли новые проблемы, о существовании которых ранее и не знали.

Компьютер в первую очередь является МАШИНОЙ - не существующим в природе, а созданным человеком объектом, предназначенным для усиления природных возможностей человека. В отличие от инструментов, приспособлений и механизмов компьютер, как и любая машина, не использует для своего функционирования физическую силу (энергию) человека. При работе с любой машиной человек выполняет только функцию управления.

Компьютер является особенной - ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ, информационной машиной, усиливающей не физические возможности человека, а его способность к вычислениям, накоплению и обработке информации, выполняющей разного рода вычисления или облегчающей этот процесс.

Компьютер является ЭЛЕКТРОННОЙ вычислительной машиной, основные функциональные элементы которой выполнены (реализованы, построены, осуществлены) на электронных приборах, с использованием современной наиболее развитой технологии обработки сигналов, на базе применения достижений электроники. Теоретически возможно построение вычислительных машин на другой материальной базе: история знает механические, наши современники - электронные и оптические, а футурологи - биологические вычислительные машины.

По способу представления информации вычислительные машины разделяют на три группы:

аналоговые вычислительные машины (АВМ), в которых информация представляется в виде непрерывно изменяющихся переменных, выраженных какими-либо физическими величинами;
цифровые вычислительные машины (ЦВМ), в которых информация представляется в виде дискретных значений переменных (чисел), выраженных комбинацией дискретных значений какой-либо физической величины (цифр);
гибридные вычислительные машины, в которых используются оба способа представления информации.

Каждый из этих способов представления информации имеет свои преимущества и недостатки. Основным достоинством ЦВМ, определившим их широкое распространение и преобладание среди всех ЭВМ, является то, что точность получаемых с их помощью результатов вычислений не зависит от точности, с которой они сами (т.е. ЦВМ) изготовлены. Точность же результатов вычислений с помощью АВМ непосредственно зависит от точности устройства самой АВМ. Этим объясняется и тот факт, что первое известное нам аналоговое вычислительное устройство - логарифмическая линейка - появилась лишь в XVII в., тогда как самыми древними цифровыми средствами для облегчения вычислений были человеческая рука и подручные предметы - камешки, палочки, косточки и т.п., а “цифровое” приспособление для счета - абак - известен был уже древним египтянам.

Понятие “вычислительная система” (ВС) появилось исторически позже понятия “вычислительная машина” и является по сравнению с последним более общим, подразумевая наличие в структуре ВС нескольких равноправных и взаимодействующих обрабатывающих устройств - процессоров. Таким образом, классическая вычислительная машина представляет собой всего лишь один из возможных видов ВС - однопроцессорную ВС. ВС - это комплекс технических средств, имеющих общее управление, предназначенный для преобразования информации и обеспечивающий автоматическую обработку данных по заданной программе.

Важную роль в развитии вычислительной техники, средств обработки информации и управляющих устройств, являющихся основой автоматизации в различных сферах человеческой деятельности, сыграло появление микропроцессоров (1971), а также сравнительно дешевой памяти большой емкости. Неослабевающий интерес к микропроцессорам объясняется такими их свойствами, как низкая стоимость, высокая надежность, компактность и значительные вычислительные и функциональные возможности, позволяющие применять их даже там, где использование средств цифровой обработки информации ранее считалось нецелесообразным.

Ключевая роль в современной инфраструктуре информатизации принадлежит системам телекоммуникаций и вычислительным сетям, в которых сосредоточены новейшие средства вычислительной техники, информатики, связи, а также самые прогрессивные информационные технологии. Именно они обеспечивают пользователям широкий набор информационно-вычислительных услуг с доступом к локальным и удаленным машинным ресурсам, технологиям и базам данных.

По мере развития сетей с начала 70-х годов расширяется перечень предоставляемых ими услуг и повышается их интеллектуальный уровень.

К числу наиболее распространенных услуг, предоставляемых современными сетями, относятся:

Телекоммуникационные услуги:

обмен сообщениями в режиме “электронная почта” как между пользователями одной сети, так и между пользователями различных сетей;
обмен сообщениями между участниками телеконференций и телесеминаров;
организация электронных бюллетеней новостей (электронных досок объявлений);
организация диалога и обмен сообщениями двух абонентов в режиме “запрос - ответ”;
передача больших массивов - файлов;
размножение сообщений и передача их по заранее подготовленному списку; приоритетное обслуживание сообщений согласно категориям срочности;
организация замкнутых групп абонентов (подсетей) для взаимного обмена информацией только в рамках группы;
доставка факсимильных сообщений; переадресация сообщений в случае изменения адреса получателя информации;
выдача копий сообщений по запросам абонентов и др.

Информационные услуги:

поиск информации по вопросам, интересующим абонентов

Консультационные услуги:

консультации по информационному и программному обеспечению сети;
консультации по технологии использования общесетевых ресурсов;
обучение навыкам работы с компьютером и другими техническими средствами и др.

Технические услуги:

установка программного обеспечения, установка и тестирование модемов и др.

Рекламные услуги: размещение рекламы в электронных конференциях и семинарах, на электронных досках объявлений.

Тема 10. Технические средства информатизации

Автоматизация работ с данными, информацией, знаниями имеет свои особенности и отличия от автоматизации других типов работ. Для этого класса задач используют особые виды устройств, большинство из которых являются электронными приборами. Рассмотрим основные понятия и определения, с которыми мы будем сталкиваться дальше при изложении данного материала.

	Совокупность устройств, предназначенных для автоматической или автоматизированной обработки данных, называют вычислительной техникой.
	Конкретный набор взаимодействующих между собой устройств и программ, предназначенный для обслуживания одного рабочего участка, называют вычислительной системой. Центральным устройством большинства вычислительных систем является компьютер.
	Компьютер — это электронной прибор, предназначенный для автоматизации создания, хранения, обработки и транспортировки данных. Наиболее распространенным синонимом слова “компьютер” является термин “электронная вычислительная машина” (ЭВМ).
	ЭВМ - комплекс аппаратных (технических) средств, предназначенных для автоматической обработки информации в процессе решения вычислительных и информационных задач, посредством выполнения задаваемой соответствующей программой последовательности операций.
	Архитектура ЭВМ - это многоуровневая иерархия аппаратурно-программных средств, из которых строится ЭВМ. Каждый из уровней допускает многовариантное построение и применение. Конкретная реализация уровней определяет особенности структурного построения ЭВМ.

Простейшие устройства для облегчения счета появились в глубокой древности, несколько тысячелетий назад. По мере развития человеческой цивилизации они медленно эволюционировали, непрерывно совершенствуясь.

Первая демонстрация электронной вычислительной машины ENIAC состоялась в 1946 г. (рис. 2). Это первый ламповый компьютер разрабатывался первоначально для проведения расчетов атомной бомбы.

Она содержала около 18000 радиоламп, имела быстродействие 5000 операций сложения в сек., основную память на 20 чисел и работала под управлением программы, набранной штеккерами на коммутационной доске. Долгое время считалось, что ее создатели - американские инженеры Эккерт и Моучли - являлись изобретателями первой в мире ЭВМ.

Но 19 октября 1973г. федеральный судья США Ларсен объявил патент Эккерт-Моучли недействительным. Решение было вынесено в результате шестилетнего судебного разбирательства (1967 - 1973 г.г.), начатого по инициативе компании - патентовладельца «Сперри - Ренд», предъявившей претензии фирме «Ханауэлл» за нарушение патентных прав.

Суд установил, что подлинным изобретателем электронной вычислительной машины является Джон Винсент Атанасов, 1903г. рождения, профессор государственного университета в Айове. В 1937г. он вместе с молодым специалистом Клиффордом Берри начал разработку электронной вычислительной машины «АВС» (Atanasov and Berri Computer). Предполагалось, что эта ЭВМ будет способна решать системы алгебраических уравнений до 30 порядка. Для ввода и вывода десятичных чисел использовались перфокарты фирмы IBM. После ввода число переводилось в двоичную систему счисления. ЭВМ должна была обрабатывать числа длиной 50 бит, имела арифметический блок, регенеративное электростатическое запоминающее устройство в виде барабана и содержала около 300 электронных ламп.

Рис.2. Электронная вычислительная машина ENIAC

В 1939г. макет ЭВМ был построен. Дж.В.Атанасов сделал доклад о своей разработке с изложением основных принципов в Ассоциации по развитию науки (Флорида). В 1940г. появилась первая газетная публикация о его работе над электронной вычислительной машиной.

В 1942г. машина «АВС» была построена. Но ведущие специалисты различных фирм считали, что спроса на такие машины не будет. Университет штата Айова отказался от уплаты патентной пошлины. Атанасов обращался в «IBM» и «Rend corporation», но они так же не восприняли новую разработку.

После вступления США в 1942г. во Вторую мировую войну, Берри был мобилизован, Атанасов перешел в морскую артиллеристскую лабораторию и оставил работу над ЭВМ.

Профессор физики из штата Пенсильвания Джон Моучли слышал сообщение Атанасова во Флориде, позднее в письмах уточнял принципы построения «АВС». Его эта проблема заинтересовала, т.к. ранее он занимался аналоговыми машинами и не мог получить на них необходимой точности вычислений. Результатом работы Дж.Моучли и его коллеги Эккерта явилась ЭВМ «Eniac», которую им удалось реализовать в 1942-1944г.г. под покровительством Пентагона.

Дальнейшее развитие электронных вычислительных машин принято делить на поколения.

1 поколение ЭВМ

Основным активным элементом первого поколения являлась электронная лампа. Остальные компоненты электронной аппаратуры - это обычные резисторы, конденсаторы, трансформаторы.

Резисторы	Конденсаторы	Трансформаторы

Электронная лампа

Рис. 3. Сердечник

Для построения основной памяти (ОП) ЭВМ уже с середины 50-х г.г. начали использоваться специально разработанные для этой цели элементы - ферритовые сердечники с прямоугольной петлей гистерезиса (рис.3). В качестве устройств ввода-вывода сначала использовалась стандартная телеграфная аппаратура (телетайпы, ленточные перфораторы, трансмиттеры, аппаратура счетно-перфорационных машин), а затем специально для ЭВМ были разработаны электромеханические запоминающие устройства на магнитных лентах, барабанах и дисках (рис.4).


Рис.4. Техническим носителям соответствовали устройства подготовки данных - перфоратор ленточный и фото считывaющee устройство ввода данных в ЭВМ с перфоленты	Рис. 5. Устройство подготовки данных на магнитных лентах и на гибких магнитных дисках ЕС 9004.01.

К первому поколению относятся отечественные машины БЭСМ-2, Стрела, М-3, Минск-1, Урал-1, Урал-2, М-20, и др. Они имели значительные размеры, потребляли большую мощность, имели сравнительно малое быстродействие, малую емкость оперативной памяти, невысокую надежность работы и недостаточное программное обеспечение.

В 1947г. в ЭВМ "Edvac" Дж. фон-Нейман разместил программу в памяти ЭВМ и сформулировал принципы построения электронных вычислительных машин, которые сохранили свое значение до настоящего времени.

Рис. 6. Пример ЭВМ первого поколения

2 поколение ЭВМ

На смену электронным лампам в машинах второго поколения (с 1953г.) пришли транзисторы. В отличии от ламповых машин, транзисторные машины обладали большим быстродействием, емкостью оперативной памяти, надежностью. Существенно уменьшены размеры, масса и потребляемая мощность.

Транзистор. Физик-теоретик Джон Бардин и ведущий экспериментатор фирмы Уолтер Брайттен создали первый действующий транзистор.

Большим достижением являлось применение печатного монтажа. Повысилась надежность электромеханических устройств ввода/вывода, удельный вес которых в аппаратном комплексе увеличился. Машины II поколения обладали большими вычислительными и логическими возможностями. Особенностью машин II поколения являлась их классификация по применению. Появились машины для решения научно-технических задач, экономических задач, для управления производственными процессами и различными объектами (управляющие машины). Наряду с техническим совершенствованием ЭВМ развивались методы и приемы программирования вычислений, высшей ступенью которых является автоматическое программирование. Появились алгоритмические языки, существенно упрощающие процесс подготовки задач к решению на ЭВМ. Появились многопрограммные ЭВМ, в которых реализовано выполнение одновременно нескольких программ за счет организации параллельной работы основных устройств машины. Расширилась сфера применения ЭВМ - они стали использоваться в качестве управляющего органа в автоматизированных и автоматических системах управления, а так же - в системах передачи информации.

Рис. 7. Пример ЭВМ второго поколения

К ЭВМ второго поколения относились машины отечественного производства Минск-2, Раздан-2, Раздан-3, М-220, БЭСМ-4, БЭСМ-6, Мир, Наири, Минск-22, Минск-32, Урал-14, Урал-16, и т.д.

3 поколение ЭВМ

Третье поколение ЭВМ (с 1962г.) характеризовалось широким применением интегральных схем, заменивших большинство транзисторов и различных деталей. Интегральная схема представляла собой законченный логический функциональный блок, соответствующий достаточно сложной транзисторной схеме.

Благодаря интегральным схемам удалось существенно улучшить технические и эксплуатационные характеристики машины. Этому способствовало так же применение многослойного печатного монтажа.

Интегральная схема, которую также называют кристаллом, представляет собой миниатюрную электронную схему, вытравленную на поверхности кремниевого кристалла площадью около 10 мм².

Первые интегральные схемы появились в 1964 году. Сначала они использовались только в космической и военной технике. Сейчас же их можно обнаружить где угодно, включая автомобили и бытовые приборы. Что же качается компьютеров, то без интегральных схем они просто немыслимы.

Появление интегральных схем означало подлинную революцию в вычислительной технике. Ведь она одна способна заменить тысячи транзисторов, каждый из которых в свою очередь уже заменил 40 электронных ламп. Другими словами, один крошечный кристалл обладает такими же вычислительными возможностями, как и 30-тонный Эниак. Быстродействие ЭВМ третьего поколения возросло в 100 раз, а габариты значительно уменьшились.

Ко всем достоинствам ЭВМ третьего поколения добавилось еще и то, что их производство оказалось дешевле, чем производство машин второго поколения. Благодаря этому, многие организации смогли приобрести и освоить такие машины. А это, в свою очередь, привело к росту спроса на универсальные ЭВМ, предназначенные для решения самых различных задач. Большинство созданных до этого ЭВМ являлись специализированными машинами, на которых можно было решать задачи какого-то одного типа.

Рис. 8. Пример ЭВМ третьего поколения

Отчетливо появилась тенденция к унификации ЭВМ, к созданию машин, представляющих собой единую систему. Ярким выражением этой тенденции является создание ЕС ЭВМ.

4 поколение ЭВМ

Четвертое поколение машин начало развиваться с 1970г. Для них характерно применение больших интегральных схем (БИС). Высокая степень интеграции способствовала увеличению плотности компоновки электронной аппаратуры, повышению ее надежности и быстродействия, снижению стоимости. Это оказывало существенное влияние на логическую структуру (архитектуру) ЭВМ и на ее программное обеспечение.

Развитие микроэлектроники привело к созданию возможности размещать на одном-единственном кристалле тысячи интегральных схем. Так, уже в 1980 году, центральный процессор небольшого компьютера оказался возможным разместить на кристалле, площадью всего в четверть квадратного дюйма (1,61 см²). Началась эпоха микрокомпьютеров.

Размеры машины и их стоимость настолько уменьшились, что появились их новые типы - от мини - ЭВМ до персональных, предназначенных для индивидуального использования (как стационарных, "настольных" ПЭВМ, так и мобильных, переносных: Lop-Top, Notebook, вплоть до микро - калькуляторов различных типов).

Стоимость ЭВМ настолько снизилась, что час их работы стал стоить в десять раз меньше часа работы среднеоплачиваемого клерка. Стал расширяться рынок сбыта - за счет вовлечения в него "непрограммирующих пользователей", т.е. людей, не являющихся профессионалами в области компьютерной науки. Это наложило отпечаток на архитектуру программного обеспечения - появилось стремление упростить общение с ЭВМ, сделать его более дружественным для пользователя. В программном обеспечении ЭВМ появился новый стандарт - "дружественность к пользователю среды общения".

Использование больших интегральных схем настолько уменьшило размеры ЭВМ, что появилась возможность в том же (а часто и значительно сокращенном) объеме разместить дополнительные блоки - например, блоки контроля хода вычислительного процесса и автоматического обеспечения его надежности. Впервые принципы построения ЭВМ, сформулированные фон-Нейманом, стали нарушаться - появились новые типы ЭВМ: векторные, конвейерные, матричные.

Микроминиатюризация сделала возможным встраивание специализированных микроЭВМ в различную аппаратуру - что позволяло получать от этой аппаратуры дополнительные функциональные возможности.

Большие интегральные схемы встраиваются в настоящее время практически везде – и в уличном светофоре, и в стиральной машине, и в иллюминационном шаре, и в микроволновой печи и т.д.

Сравнение разных поколений компьютеров

5 поколение ЭВМ

Программа разработки 5 поколения ЭВМ была принята в Японии в 1982 г. Предполагалось, что к 1991 г. будут созданы принципиально новые компьютеры, ориентированные на решение задач искусственного интеллекта. С помощью языка программирования Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Для компьютеров "пятого поколения" не планировалось писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.

В составе вычислительных систем 5-го поколения появились новые виды ЭВМ и программного обеспечения (ПО): машины баз знаний, машины логического вывода, естественно языковый интерфейс общения пользователей с компьютером. В конструкцию ЭВМ и программного обеспечения стали активно внедряться элементы самообучения, самонастройки, адаптации.

В настоящее время работа над 5-ым поколением ЭВМ не завершена - трудности интеллектуализации ЭВМ оказались слишком большими, выяснилась недостаточная проработанность основных положений "искусственного интеллекта", ограниченность наших знаний о природе и закономерностях мышления.

Перспективы развития

Все современные ЭВМ строятся на микропроцессорных наборах, основу которых составляют большие и сверхбольшие интегральные схемы.

Такие высокие технологии порождают целый ряд проблем. Микроскопическая толщина линий, сравнимая с диаметром молекул, требует высокой чистоты используемых и напыляемых материалов, применения вакуумных установок и снижения рабочих температур.

Уменьшение линейных размеров микросхем и повышение уровня их интеграции заставляют проектировщиков искать средства борьбы с потребляемой Wn и рассеиваемой Wp мощностью. При сокращении линейных размеров микросхем в 2 раза, их объемы изменяются в 8 раз. Пропорционально этим цифрам должны меняться и значения Wn и Wp, в противном случае схемы будут перегреваться и выходить из строя. Уменьшение питающих напряжений, локальные средства охлаждения микросхем и другие меры не позволяют в целом решить эти проблемы. Аналитики предрекают достижение пределов в производстве микросхем к 2010-2015 годам.

Дальнейший прогресс в повышении производительности может быть обеспечен либо за счет архитектурных решений, либо за счет новых принципов построения и работы микросхем. Альтернативных путей развития просматривается не очень много.

В настоящее время возможности микроэлектроники еще не исчерпаны, но давление пределов уже ощутимо. Внедрение новых технологий производства микропроцессоров испытывает и экономические проблемы. Например, построение нового завода по производству микросхем с 0.13 микронной технологией стоит от двух до четырех млрд. долларов. Это заставляет искать новые альтернативные пути построения будущих ЭВМ. Интенсивные поиски идут по многим направлениям. Наиболее перспективными из них следует считать:

создание молекулярных и биокомпьютеров (нейрокомпьютеров);
разработка квантовых компьютеров;
разработка оптических компьютеров.

Молекулярные компьютеры

Во многих странах проводятся опыты по синтезу молекул на основе их стереохимического генетического кода, способных менять ориентацию и реагировать на воздействия током, светом и т.п. Например, ученые фирмы Hewlett-Packard и Калифорнийского университета (UCLA) показали принципиальную возможность создания молекулярной памяти ЭВМ на основе молекул роксана. Продолжаются работы по созданию логических схем, узлов и блоков. По оценкам ученых подобный компьютер в 100 млрд. раз будет экономичнее современных микропроцессоров.

В Вайзмановском институте (Израиль) построили компьютер, в основе которого лежат молекулы ДНК. Он занимает так мало места, что разглядеть его можно только под микроскопом. Считается, что именно таким, биологическим компьютерам принадлежит будущее, потому что миниатюризация традиционных микропроцессоров уже почти достигла своего предела.

!	ДНК — это дезоксерибонуклеиновая кислота, с помощью которой живые организмы передают друг другу по наследству генетическую информацию. ДНК содержится в каждой клетке организма и сконцентрирована в её ядро

Биокомпьютеры или нейрокомпьютеры

Идея создания подобных компьютеров базируется на основе теории перцептрона – искусственной нейронной сети, способной обучаться. Автором этих идей был Розенблат. Он указал, что структуры, имеющие свойства мозга и нервной системы, позволяют получить целый ряд преимуществ:

параллельность обработки информационных потоков;
способность к обучению и настройке;
способность к автоматической классификации;
более высокую надежность;
ассоциативность.

Элементной базой перспективных нейровычислителей являются нейрочипы. Их производство ведется во многих странах мира, причем большинство из них на сегодня ориентированны на закрытое использование (т.е. создавались для конкретных специализированных управляющих систем).

Обобщенная классификация нейрочипов приведена на рис.9.

Рис.9. Обобщенная классификация нейрочипов

Компьютеры, состоящие из нейроподобных элементов, могут искать нужные решения посредством само программирования, на основе соответствия множеств входных и выходных данных. В настоящее время уже созданы и используются программные нейропакеты, которые доказывают возможность построения подобных машин на сверх больших интегральных схемах (на рисунке слева вы видите общий вид нейрокомпьютера Synapse1).

Квантовые компьютеры

Принцип работы элементов квантового компьютера основан на способности электрона в атоме иметь различные уровни энергии Е₀, Е₁,…,Е. Переход электрона с нижнего энергетического уровня на более высокий связан с поглощением кванта электромагнитной энергии – фотона. При излучении фотона осуществляется обратный переход. Всеми подобными переходами можно управлять действием электромагнитного поля от атомного или молекулярного генератора. Этим исключаются спонтанные переходы с одного уровня на другой. Первые квантовые компьютеры выглядят несколько громоздко.

Основным же строительным блоком квантового компьютера служит qubit – Quantum Bit, который может иметь большое число состояний. Для таких блоков определен логически полный набор элементарных функций. Это позволяет строить сложные устройства. Известны эксперименты по созданию RISC – процессора на RSFQ-логике (Rapid Single Flux Quantum) и проекты создания петафлопных (1000 триллионов операций/с) компьютеров.

Оптические компьютеры

Идея построения оптического компьютера давно волнует исследователей. Многие устройства ЭВМ используют оптику в своем составе: сканеры, дисплеи, лазерные принтеры, оптические диски CD-ROM и DVD-ROM. Появились и успешно работают оптоволоконные линии связи. Остается создать устройство обработки информации с использованием световых потоков. Способность света параллельно распространяться в пространстве позволяет создавать параллельные устройства обработки. Это позволило бы на несколько порядков ускорить быстродействие ЭВМ.

Пока отсутствуют проекты создания чисто оптических процессоров, но уже имеются эксперименты по проектированию оптоэлектронных и оптонейронных отдельных устройств.

Каковы же состояние и прогноз развития микропроцессоров в настоящее время?

В начале 2000 года основные конкуренты по производству интегральных 32-разрядных микросхем (архитектура IA-32) фирмы Intel и AMD преодолели рубеж f=1ГГц.

Фирма Intel выпустила Pentium III (ядро Coppermine – 0.18 мкм техпроцесс, кэш L2 – 256Кбайт, формфактор – Slot1). Дальнейшим развитием этой линии следует считать ожидаемый выход в конце 2000 года микропроцессора Willamette (переход на техпроцесс 0.13мкм, кэш L1 – 256Кбайт, кэш L2 – 0.5-1Мбайт, формфактор – Soket 423, частота – 1.5ГГц, увеличение частоты в 2001 году до 2ГГц).

Последним представителем IA-32 объявлен микропроцессор Foster, серверный вариант Willamette (эта схема основа микропроцессоров Pentium IV). Здесь предполагалось значительное улучшение всех характеристик, выпуск – в конце 2001года.

Первым 64-разрядным микропроцессором (IA-64) ожидается микропроцессор Merced (трехуровневая кэш-память 2-4Мбайта, техпроцесс –0.18мкм). Экспериментальная версия этого изделия имеет название Itanium.

Коммерческая версия Merced будет иметь название McKinley. Она появится год спустя. Ожидается, что ее характеристики будут примерно в два раза выше Itanium.

Фирма AMD продемонстрировала свой микропроцессор Athlon (ядро Thunderbild – кэш L1 –128Кбайт, кэш L2 –512Кбайт,формфактор – Soket A, Slot A – промежуточный). Развитием этого направления следует считать микропроцессор Mustang.

В IBM говорят, что создали трехмерную магнитооптическую структуру, которая, в перспективе, может быть интегрирована в будущие интегрированные микросхемы благодаря тому, что магнитооптические домены "вплавляются" в кристалл полупроводника.

Практически это можно использовать так:

1 пример.

Поскольку компьютерные технологии наращивают мощь очень быстро, а методы обработки информации имеют тенденцию изменяться, пользователи вычислительной техники (особенно те, кто работает в фирмах, руководит ими) должны "идти в ногу" с этими изменениями. Это требует времени и средств. В средних и больших компаниях необходимо поручить одному или группе работников следить за развитием новых технологий, а начальству всеми силами поддерживать эту команду.

2 пример.

Вскоре после выделения средств на создание новой информационной системы, администрация находит, что новая, только что созданная система уже устарела и слишком дорога по сравнению с новыми изделиями. С таким подходом очень трудно будет удерживать систему на современном уровне, потому что технологии постоянно развиваются, а цены все время падают. Вряд ли нужно считать устаревшей компьютеры с микропроцессором, работающем на частоте 600 МГц, если Intel объявила о выпуске новой моли процессора с тактовой частотой 900 МГц. В конце концов, не только процессор определяет скорость работы компьютера. В любом случае, прежде чем тратить деньги, нужно хорошенько подумать, а главное – провести тщательное планирование всех изменений системы.

3 пример.

Не так давно (лет 5-6 назад) компьютерные аналитики предсказывали, что вскоре портативные компьютеры (ПК-блокноты) станут раз в 20 мощнее современных (для того времени) компьютеров, будут иметь цветной сенсорный экран, который позволит вводить рукописный текст с помощью светового пера. В каждом из ПК-блокнотов будет установлен CD-ROM. Кроме того, такие компьютеры будут оснащены системами распознавания и синтеза речи, что позволит диктовать им текст, а не вводить его вручную, а также вести диалог с компьютером, получая вразумительные ответы в виде речи, звуков и графических образов. Эти ПК-блокноты станут очень тонкими (1.5 – 2.5 см.) и заменят традиционные бумажные блокноты. Также отмечалось, что вскоре компьютеры заменят все традиционные средства получения информации, включая телевидение. Стоимость таких портативных ПК составит не более $2000. Сформируйте группы из трех-четырех человек и обсудите, что из предсказанного уже сбылось, что сбудется, что появилось нового, а что не сбудется в ближайшем будущем. Подумайте также над тем, как такие компьютеры могли бы повлиять на обучение в высших учебных заведениях.

Blog

1. Основные понятия информатики 2 Тема Предмет информатики 4