Теоретичні основи інформатики, комп’ютерна техніка та програмне забезпечення

- пристрій для введення  даних;     

- запам'ятовуючий пристрій, здатний зберігати вихідні дані  та проміжні результати (Беббідж  назвав його "складом");     

- арифметико-логічний  пристрій, що виконує арифметичні і логічні операції ( "млин");     

- пристрій управління, керівне переміщеннями зі "складу" на "млин" і роботою "млини"  і забезпечує виконання потрібних  дій у потрібному порядку за  заданою програмою;     

- пристрій для виведення  результату.     

Прилади, які можна віднести до програмованим  пристроїв:     

- математик і корабел  А. Н. Крилов (1863-1945) винайшов машину  для рішення диференціальних  рівнянь;     

- в 1915 р. німецька  фірма "Асканія" побудувала  обчислювальну машину для розрахунку часу припливів і відливів на північному узбережжі Німеччини, вона працювала до 1975 р.;     

- в 1804 р. французький  інженер Жозеф Марі Жаккард  сконструював верстати, які ткали  складні візерунки, керуючись  послідовністю перфокарт;     

- різні музичні автомати, шарманки, механічні піаніно.  

2.2. Архітектура фон  Неймана     

У 40-х роках XX ст. американець угорського походження Джон (Янош) фон Нейман (1903-1957рр.) включився в роботу зі створення ЕОМ для управління берегової ППО. Розроблявся "ЕНІАК" - електронний чисельний інтегратор і автоматичний обчислювач. Але ця машина мала принциповий недолік: у ній відсутнє пристрій для запам'ятовування і зберігання команд.     

У 1945 р. Джон фон Нейман виступив з  доповіддю, в якій були сформульовані  основні принципи організації нового обчислювального пристрою, що одержали назву "архітектура фон Неймана".      

АЛП - арифметико-логічний пристрій для  виконання арифметичних і логічних операцій;     

ОП - оперативна пам'ять, пристрій для зберігання кодів виконується в даний  момент програми;     

ЗП - зовнішні пристрої, або  периферія. Зазвичай їх ділять на два  класи: зовнішню пам'ять (накопичувач  на гнучких магнітних дисках, накопичувач  на жорстких магнітних дисках, CD-диски, магнітооптичні диски) та пристрої введення / виводу інформації (пристрої введення: клавіатура, мишка, мікрофон, сканер; пристрої виведення: дисплей, принтер, акустичні колонки, плотер);     

КП - керуючий пристрій, яка  організує роботу комп'ютера в  такий спосіб:     

а) поміщає в ОП коди програми з ЗП;     

б) зчитує з комірки ОП та організовує  виконання першої команди програми;      

в) визначає чергову команду та організує  її виконання;     

г) постійно синхронізує роботу пристроїв, що мають різну швидкість виконання  операцій, шляхом призупинення виконання  програми.     

У 1946 р. фон Нейман починає розробку нової машини, і в 1949 р. була побудована електронної машини з обробки  дискретних змінних "ЕДВАК", яка  згодом була визнана першим комп'ютером.     

Норберт Вінер (1894-1964рр.), працюючи разом з Джоном фон Нейманом, звернув увагу на те, що процеси, що керують складною електронною  системою, аналогічні процесам нейрофізіології, що вивчає цілеспрямовану діяльність живих істот. Збереження працездатності таких систем досягається за рахунок зворотнього зв'язку, вона дозволяє відслідковувати і коригувати вже розпочату, але ще не закінчену до кінця дію. Існування зворотного зв'язку дозволяє розглядати складні системи різної природи - фізичної, соціальної, біологічної - з єдиної точки зору. Це і є основи кібернетики. Під кібернетикою сьогодні розуміють серію наукових дисциплін, що вивчають загальні закони управління і взаємозв'язків, що діють в системах різної природи. 

 

2.3. Пристрій сучасного  комп'ютера      

Поширення персональних комп'ютерів до кінця 70-х  років призвело до деякого зниження попиту на великі ЕОМ і міні-ЕОМ.     

Це  серйозно непокоїло керівництво  фірми IBM (International Business Machines Corporation) - провідної  компанії по виробництву великих  ЕОМ. І в 1979 р. фірма IBM вирішила спробувати свої сили на ринку персональних комп'ютерів.      

Однак керівництво фірми недооцінило  майбутню важливість цього ринку, розглядаючи  створення комп'ютера усього лише як дрібний експеримент. Щоб не витрачати  на цей експеримент багато коштів, керівництво фірми дозволило  підрозділу використовувати блоки, виготовлені іншими фірмами. Фірма IBM зробила комп'ютер не єдиним нероз'ємним  пристроєм, а забезпечила його складання  з незалежно виготовлених частин за принципом відкритої архітектури.     

На  основній електронній платі (системної або материнської) розміщені тільки блоки, які здійснюють обробку інформації (обчислення): процесор, можливо математичний співпроцесор, контролери, мікросхеми оперативної пам'яті. Схеми, що керують всіма іншими пристроями комп'ютера (монітором, дисками, принтером і т. д.), реалізовані на окремих платах, які вставляються в стандартні рознімання (слоти) на системній платі. До цих електронних схем підводиться електроживлення з єдиного блоку живлення, а для зручності і надійності все це полягає в загальний металевий або пластиковий корпус - системний блок.     

Комп'ютер складається з розрізнених частин. Для того щоб він працював як єдиний механізм, необхідно здійснювати  обмін даними між різними пристроями, за це відповідає системна (магістральна) шина. До неї через контролери підключені зовнішні пристрої, які обмінюються даними з оперативною пам'яттю. Обмін даними між пристроями ЕОМ зумовлений обмеженням функцій, що виконуються цими пристроями, і повинен бути запрограмований. Виконувана програма зберігається в оперативній пам'яті комп'ютера і через системну шину передає в процесор команди на виконання певних операцій. Процесор на їх основі формує свої команди управління, які по системній шині надходять на відповідні пристрої. Для виконання операцій обробки даних процесор передає в оперативну пам'ять адреси необхідних даних і отримує їх. Результати обробки направляються в оперативну пам'ять. Дані з оперативної пам'яті можуть бути передані на зберігання в зовнішні запам'ятовуючі пристрої, для відображення на дисплеї, виведення на друк, передачі в обчислювальну мережу.     

Важливими технічними характеристиками, що впливають  на продуктивність комп'ютера, є показники  частоти процесора, розрядність  і машинне слово.     

Кількість розрядів, яке  може бути сприйнято, передане або отримано за одне звернення до процесора, називається  його розрядністю.     

Кількість інформації, записується або витягають  із пам'яті за одне звернення, називається  машинним словом.  

2.4. Покоління комп'ютерів       

Один  із способів класифікації комп'ютерів, що враховує основні конструктивні  елементи, - це розподіл комп'ютерів по поколінням.     

1-е  покоління. Час появи - початок  50-х років XX ст. Основний елемент,  на якому будувалося управління  комп'ютером, - електронна лампа.  Перша машина для вільного  продажу "ЮНІВАК" (США) була  випущена в 1951 р. Найкращою  в СРСР була серійна машина  М-20 зі швидкістю 20 тис. операцій  в секунду.       

2-е  покоління. У середині 50-х років  XX ст. з'явилися комп'ютери з елементної  базою на напівпровідниках, довготривалі  запам'ятовувальні пристрої на  магнітних стрічках. Почали застосовувати  мови програмування високого  рівня, такі як Фортран. Швидкість  кращого в СРСР комп'ютера - БЕСМ-2 - 1 млн. операцій за секунду.     

3-е  покоління. У середині 60-х років  XX ст. були випущені комп'ютери  серії IBM-360 (США), на яких замість  розрізнених транзисторів були  використані малі інтегральні  схеми. З'явилися магнітні диски.  У СРСР типовими представниками  стали комп'ютери єдиної системи  (ЄС) і системи машин (СМ). Швидкість  обробки даних у потужних машин  досягала 10 мільйонів операцій у  секунду.       

4-е  покоління. Поява комп'ютерів  цього покоління пов'язують з  розробкою (фірма Intel, США, 1971 р.) мікропроцесора  на базі великих інтегральних  схем (ВІС). Створені персональні  комп'ютери, які стали основою  комп'ютеризації суспільства. Швидкість  обробки даних - до 50 мільйонів  операцій у секунду.       

5-е  покоління. Елементною базою є  надвеликі інтегральні схеми  (НВІС), ультравеликі інтегральні схеми (УВІС) і гігавеликі інтегральні схеми (ГВІС). Мультимедійні комп'ютери на базі процесора Pentium (або подібного йому), здатні забезпечити створення віртуальної реальності. Швидкість обробки - 100 мільйонів операцій у секунду. Прикладом вітчизняної суперЕОМ є багатопроцесорний обчислювальний комплекс "Ельбрус" зі швидкодією до 120 млн. операцій за секунду. 

3. Програмне забезпечення        

Інформація  в комп'ютері зберігається в файлах. Для зручності пошуку потрібного файлу і розміщення інформації, що відноситься до якої-небудь задачі (темі, користувачеві), створюються  каталоги (директорії).      

Файл - пойменована область пам'яті комп'ютера, де може зберігатися інформація (тексти програм, документи, готові до виконання програми і т. д.). Назва файлу складається з двох частин: власне імені файлу і розширення від одного до трьох символів, що вказує тип файлу.      

Папка (директорія, каталог) - це спеціальне місце на диску, в якому зберігаються імена файлів, відомості про розмір файлів, час їх останнього оновлення і т. д.      

Програмне забезпечення - сукупність програмних засобів для забезпечення нормальної роботи обчислювальної системи, поділяється на загальне (системне) і прикладне програмне забезпечення.  

3.1. Системне програмне  забезпечення       

1. Операційна система - це комплекс програм, що забезпечує керування комп'ютером як єдиним цілим, його взаємодія з навколишнім середовищем (людиною, прикладними програмами, іншими системами).      

Операційна  система є головною частиною системного програмного забезпечення і керується  командами.      

Основні функції операційних систем:       

- ведення файлової  системи;     

- розподіл оперативної  пам'яті;  

- динамічна компонування  виконуваних програм;      

- обробка переривань;       

- забезпечення багатозадачної  роботи.      

2. Системи програмування включають в себе мову програмування, засоби для зручності редагування текстів програм, а також методи налагодження програм і різні сервісні функції для полегшення праці програміста.      

Інтерфейс (interface) - правила взаємодії операційної системи з користувачем або прикладними системами (програмами, обчислювальними засобами).      

Мова  програмування - це сукупність набору символів (алфавіту) системи, правил користування (синтаксис) та тлумачення конструкцій із символів (семантика) для завдання алгоритмів з використанням символів природної мови.      

Існують три види мов програмування:       

- мови низького рівня  (на рівні машинних кодів, мова типу асемблер) - це машинно-орієнтовані мови, тому і програми на них займають значно менше місця і досить швидкодієві, але робота на таких мовах вимагає від програміста високого мистецтва;      

- мови високого рівня  наближені до природного мови, найчастіше до англійської, мають інтерпретатор, тобто спеціальний пристрій для перекладу тексту програми в комп'ютерні коди. Приклади таких мов: Basic, Fortran, Pascal та ін;      

- об'єктно-орієнтовані  мови, в яких йде оперування  об'єктами (вікно, меню, кнопка, покажчик і т. д.), дозволяють писати програми з єдиним інтерфейсом, полегшують програмування рутинних операцій оформлення програми. Приклади: Object Pascal, Visual Basic, Visual FoxPro , Java та ін     

3. Програми технічного обслуговування призначені для нормалізації роботи комп'ютера, периферійних пристроїв, форматування та відновлення дисків, також до них належать антивірусні програми та інші засоби, що використовуються інженерами з експлуатації комп'ютерної техніки.   

3.2. Прикладне програмне  забезпечення

Засоби  проектування       

1. Системи управління базами даних (СУБД) - спеціальні програмні продукти для створення і роботи з базами даних. Бази даних (БД) - це інтегрований і структурований набір даних, що відносяться до якої-небудь області або завданню. БД в тому чи іншому вигляді - невід'ємна частина більшості практичних завдань, в першу чергу - інформаційно-пошукових систем. Розглянемо три моделі баз даних:       

- реляційна - відносини  між даними побудовані за принципом  "один до одного", коли один запис може бути пов'язана тільки з одним записом. Форма подання даних у вигляді таблиці;      

- ієрархічна - відносини  між даними побудовані за принципом  "один до багатьох", коли  один запис взаємопов'язана з  багатьма іншими. Форма подання  даних у вигляді дерева;      

- мережева - принцип організації  "багато до багатьох", коли  одна й та ж запис може  входити у відносини з багатьма  іншими записами в різних варіантах.  Форма подання даних у вигляді  графа.      

2. Системи штучного інтелекту - розділ інформатики, що займається питаннями імітації мислення людини за допомогою комп'ютера. Проблеми штучного інтелекту:       

- способи формального опису знання  та зберігання їх в комп'ютері;       

- будова моделей умовиводів людини  в процесі рішення їм практичних  і теоретичних завдань;       

- можливість спілкування "людина - комп'ютер" природною мовою;       

- можливість самоорганізації та  самонавчання систем штучного  інтелекту.        

Експертні системи - це системи штучного інтелекту, створені для вирішення завдань на основі можливостей комп'ютера, знань і досвіду кваліфікованих фахівців; представляють собою програму для комп'ютера, за допомогою якої можливо отримати прийнятне рішення в ситуації, коли формальних, абсолютно точних рішень отримати не можна (діагностика захворювань , пошук корисних копалин, педагогіка, психологія, політика).      

3. Системи автоматичного проектування (САПР) - комплекс технічних і програмних засобів, що дозволяють створювати всю необхідну конструкторську і технологічну документацію на окремі вироби, будівлі, споруди.      

4. Системи електронного документообігу, що включають у себе:      

- системи управління  документами, які забезпечують  інтеграцію з додатками, зберігання  документів, здійснюють пошук документів  за атрібутной або повнотекстової індексації;      

- системи масового  введення документів, які дозволяють  здійснювати введення з клавіатури  і сканування, що включає в  себе чистку, підготовку до розпізнавання,  вирівнювання зображень і розпізнавання,  яке може бути оптичним або інтелектуальним;