 |
Механизация и автоматизация обработки информации
|
|
|
|
Глава 1. Информация и общественное развитие
Внимательный анализ особенностей основных этапов развития человеческого общества показывает существенную зависимость основных характеристик этих этапов от средств и способов, с помощью которых человек хранит, обрабатывает и передает информацию. Важнейшее значение при этом имеет скорость обработки и, в особенности, скорость передачи информации. Поэтому изучение курса информатики целесообразно начать с краткого обсуждения этой принципиальной взаимосвязи.
Информация и живая природа
Способность принимать, передавать, запоминать и некоторым образом обрабатывать разнообразную информацию является, по-видимому, одним из самых главных признаков живого мира. В той или иной степени это свойство присуще животным, растениям и даже бактериям. В самом деле, и растения, и животные так или иначе реагируют на температуру окружающей среды и отдельных предметов. С помощью запаха животные находят пищу, а растения привлекают к себе, скажем, пчел для опыления. Получив из внешней среды какую-либо информацию, живой организм определенным образом обрабатывает ее и на основе результатов обработки соответственно реагирует на полученные сведения. Например, учуяв запах пищи, животное начинает ее поиск, а если это запах более сильного соперника, то оно пытается уклониться от встречи. Информация не только поступает в организм извне, но и передается живым организмом во внешнюю среду. Так, с помощью звука или характерных поз животные дают понять о своих намерениях. Обмениваясь различного рода сигналами, пчелы передают друг другу информацию об опасности или о найденном месте для сбора нектара. Наиболее важные сведения живые организмы запоминают. И эта «хранящаяся» в организме информация активно используется в процессе обработки вновь поступающей информации. Например, найдя дорогу к водопою, животные ее запоминают и затем неоднократно по ней проходят. Итак, с помощью приема, передачи, хранения и обработки различного рода информационных потоков из внешней среды любой отдельно взятый организм обеспечивает свою жизнедеятельность. В связи с этим необходимо отметить, что информация для живого организма не менее важна, чем пища, с помощью которой в организм поступает необходимая для его жизнедеятельности энергия.
|
|
|
Прием, передача, обработка и хранение информации являются одной из самых важных сторон жизнедеятельности биологических организмов. Человек так же, как и любой другой живой организм, получает информацию из окружающей среды с помощью своих органов чувств, причем физическая природа носителей информации различна.
ВНИМАНИЕ
Носителем информации считается любая материальная среда, служащая для ее хранения или передачи.
Львиную долю информации из внешней среды человек получает с помощью электромагнитных колебаний, органом приема которых являются глаза. Кроме того, принимаются акустические колебания воздушной среды (орган приема — уши), температура окружающей среды (терморецепторы кожи), молекулы вещества, создающие у человека ощущения запаха и вкуса (нос и язык), и т. д. Получив информацию, человек определенным образом обрабатывает и, возможно, запоминает или как-либо сохраняет ее. Для этого человек использовал и использует самые различные носители и способы хранения информации. В частности, можно упомянуть: мозг человека (память), традиционные бумажные носители — от записной книжки до личного дела в отделе кадров и научных публикаций в журналах, кинопленку и фотографию, магнитофонные записи, видеозаписи и многие, многие другие носители и способы. В зависимости от полученной информации и предыдущего опыта (от сохраненной ранее информации) человек предпринимает или не предпринимает те или иные действия.
|
|
|
Человек на протяжении всей своей жизни постоянно, ежечасно, ежеминутно сталкивается с необходимостью принимать, передавать, обрабатывать и хранить информацию.
Речь
На ранних этапах развития человеческого общества информация играла в жизни отдельного человека и групп первобытных людей ту же самую роль, что и во всей живой природе. Однако по мере усложнения взаимодействия между людьми, по мере повышения сложности решаемых задач человеку приходилось формировать все более и более сложные сигналы для передачи и обработки все более и более сложной информации. По-видимому, возникновение речи по времени следует соотнести с появлением первых орудий производства, таких, например, как каменный топор и другие простейшие орудия труда. Так, около миллиона лет тому назад начала формироваться речь человека — самый совершенный в живой природе способ обмена информацией.
ВНИМАНИЕ
Под обменом информацией понимается ее прием или передача в тех случаях, когда безразлично, о чем именно идет речь.
Речь первобытного человека представляла собой не только форму сообщений, с помощью которых люди обменивались между собой информацией. Она стала способом сохранения и передачи полученных людьми знаний.
ВНИМАНИЕ
Знания представляют собой осознанные и запомненные людьми свойства предметов, явлений и связей между ними, а также способы выполнения тех или иных действий для достижения нужных результатов.
Знания передавались от поколения к поколению в виде устных рассказов, и таким образом шел процесс их накопления. Но этот способ был весьма несовершенным, так как человек мог погибнуть на охоте, на войне или просто забыть даже очень важные сведения.
Таким образом, можно сделать следующий вывод: носителем полезной для человека информации на рассматриваемом этапе общественного развития являлся мозг человека, он же использовался и для ее обработки, а обмен информацией осуществлялся с помощью речи, мимики, жестов, телодвижений. Тем не менее, появление человеческой речи представляло собой переход на более совершенный уровень работы с информацией и позволило, наряду с использованием орудий труда, человеку стать человеком.
|
|
|
Письменность
Вступление человечества в эпоху письменности можно связать с первыми наскальными рисунками, выполненными почти 30 тысячелетий назад. Фактически это означает, что был найден самый первый, более надежный по сравнению с человеческим мозгом, способ долговременного хранения и передачи информации. Именно тогда появились и первые инструменты для ее «записи» на носитель. К этому же времени, скорее всего, можно отнести и начало использования пальцев рук и камешков для выполнения простейших вычислений. Итак, появились первые приспособления для хранения и обработки информации, поскольку и наскальные рисунки, и камешки для счета в принципе представляют собой информационные образы неких реальных объектов. С этого времени начинается отсчет ручного этапа в развитии средств обработки информации. Заметим, что между появлением первых орудий материального труда и первых приспособлений для долговременной фиксации информации и ее обработки прошло около миллиона лет.
За тридцать тысяч лет, прошедших со времени появления письменности, человечество сумело найти и применить на практике немало различных носителей информации — камень, кость, дерево, глину, папирус, бумагу. В то же время, несмотря на существенное усовершенствование орудий материального труда, количество новых приспособлений для обработки информации практически оставалось на одном и том же уровне. Это пальцевый счет, камешки, насечки, узелковый счет в доколумбовой Америке, абак — глиняная пластинка с желобками, в которых размещались камешки, русские счеты и некоторые другие аналогичные приспособления -вот, пожалуй, и все, чем может похвастаться человечество за этот период. Тем не менее появление письменности можно считать исторически первым этапом развития информационных технологий, которое существенно ускорило развитие человеческого общества.
|
|
|
Книгопечатание
Изобретение в середине XV века Иоганном Гутенбергом печатного станка, который позволял тиражировать знания на долговременном бумажном носителе информации, стало началом эры бумажной информатики и явилось мощнейшим катализатором промышленной революции XVIII века. Знания, тиражируемые и широко распространяемые по всему миру, оказывали значительное влияние на разработку новых устройств, технологических приемов и т. д. А внедрение новых изобретений в производственный процесс в свою очередь порождало новые знания, также распространяемые и тиражируемые с помощью книг. Начала раскручиваться спираль научно-технического прогресса.
Механизация и автоматизация обработки информации
Почти через 200 лет после появления печатного станка были разработаны первые устройства для механической обработки числовой информации, наиболее простой и, с другой стороны, наиболее важной для того периода разновидности информации. С этого времени начинается механический этап в развитии средств обработки информации. Основное отличие этого этапа состоит в том, что вычисления осуществляются путем механических перемещений различных узлов — рычагов, валиков различной формы, зубчатых колес и т. д.
Первой известной попыткой построения такого механизма является относящийся примерно к 1500 году эскиз суммирующего устройства Леонардо да Винчи. К сожалению, в то время построить по этому эскизу реальное счетное устройство не удалось. А первое действующее устройство для выполнения сложения было создано только в 1623 году Вильгельмом Шиккардом. Он называл свое изобретение «суммирующими часами», так как оно было создано (к сожалению, в единичном экземпляре) на базе механических часов. Блез Паскаль в 1641-1645 годах разработал суммирующую машину, которая получила широкую известность и была выпущена целой серией в 50 машин (8 экземпляров дошло до наших дней). А Готфриду Лейбницу в 1671-1674 годах удалось построить арифмометр — машину для выполнения всех четырех арифметических операций.
Кстати, упомянутые ранее абак и счеты, если говорить более точно, не являются устройствами для обработки информации в полном смысле этого слова. Это устройства только для хранения числовой информации в процессе ее обработки, поскольку арифметические операции над числами все-таки производятся человеком. В то время как суммирующую машину Паскаля и арифмометр Лейбница уже можно считать своеобразными «механическими вычислителями», которые выполняли целый ряд вычислительных действий без вмешательства человека.
|
|
|
Так почти 350 лет тому назад появились предшественники современных микрокалькуляторов. Вся эта группа средств обработки информации, включающая в себя и суммирующие «часы» Шиккарда, и машину Паскаля, и широко распространенные в конце XIX и начале XX веков арифмометры Томаса и Орднера, и нынешние микрокалькуляторы, отличается тем, что человек непосредственно участвует в вычислительном процессе на всех его этапах. В частности, человек не только определяет последовательность выполняемых действий, но и осуществляет собственно вычисления.
В ходе промышленной революции появились и стали широко использоваться бумажные ленты и карты с отверстиями — перфоленты и перфокарты, которые являются разновидностью долговременных носителей информации. С помощью определенных комбинаций отверстий на перфолентах и перфокартах задавался конкретный план работы различных устройств. Примером такого рода устройств является автоматический ткацкий станок, изобретенный во Франции в 1804-1808 годах Жозефом Жаккардом. Работой этого станка управляла перфокарта с заранее нанесенными на нее отверстиями. Наличие или отсутствие отверстия в перфокарте заставляло подниматься или опускаться нить при одном ходе челнока. Станок Жаккарда был первым массовым промышленным устройством, автоматически (то есть без прямого вмешательства человека) работающим по заданному плану. Заметим, что план выполнения действий является особого рода информацией, использование которой позволяет достичь заданной цели.
Таким образом, в частном случае производства роль человека свелась к составлению плана выполнения нужных действий, а сами действия уже выполнялись без участия человека — автоматически. Естественным образом должна была возникнуть мысль о том, что машине можно поручить не только выполнение действий по изготовлению тканей. По-видимому, можно попытаться поручить ей и выполнение некоторых вычислений, которые, как уже было отмечено ранее, представляли собой наиболее важную в то время разновидность действий по обработке информации. Такая мысль возникла у английского математика Чарльза Бэббиджа в начале XIX века. В 1822 году он опубликовал статью с описанием так называемой «разностной» машины, предназначенной для вычисления и печати таблиц математических функций. Затем Бэббидж начал работать над проектом реализации машины, которую впоследствии стали называть «аналитической». Первый эскиз этой машины появился в 1834 году. Однако, несмотря на несколько десятилетий работы и затраченные усилия, Бэббиджу не удалось реализовать свою идею, в основном из-за несовершенства материальной и технической базы того периода. Проект машины Бэббиджа, опередивший свое время, содержал все основные компоненты вычислительных машин, появившихся почти 100 лет спустя. Основная его идея не была забыта, она сыграла важную роль в дальнейшем развитии средств обработки информации. Эта идея полностью исключала участие человека в вычислительном процессе, сводя его роль к подготовке необходимых числовых данных и, как и в случае с ткацким станком Жаккарда, составлению программы, то есть плана выполнения вычислений, зафиксированного в некоторой специальной форме. Собственно процесс обработки информации должен был выполняться автоматически по заданной программе. Несмотря на то, что аналитическая машина Бэббиджа имелась только в виде проекта, для нее была составлена первая в мире программа. В 1843 году Ада Лавлейс, дочь английского поэта Джорджа Байрона, опубликовала работу, в которой были заложены основы современного программирования. Ею же была составлена программа вычисления так называемых чисел Фибоначчи.
В связи с появлением электрических устройств и началом развития электротехники в конце XIX века начался следующий, электромеханический этап в развитии средств обработки информации. Отличительной чертой этого этапа является сочетание при выполнении вычислительных операций механических перемещений с работой электрических устройств. Первым такого рода устройством считается табулятор — машина, автоматизирующая выполнение простых вычислений на основе данных, нанесенных в виде пробивок на перфокарты. При этом какие-либо программы вычислений в табуляторах не использовались, а вычислительные операции, как правило, сводились к считыванию с перфокарт больших массивов числовых данных и их последующему суммированию. Первый табулятор был создан Германом Холлеритом в 1887 году. Основу этого устройства составляли простейшие электромеханические реле. Табуляторы широко использовались для выполнения расчетов статистического характера, например для проведения переписи населения в конце XIX века в США, Канаде, России и некоторых других странах. Для производства табуляторов Г. Холлерит в 1897 году организовал фирму Tabulating Machine Company, которая впоследствии преобразовалась в фирму IBM (International Business Machines corporation) — признанного и широко известного в настоящее время мирового лидера в сфере компьютерного производства. Различного рода табуляторы весьма эффективно использовались во всем мире для самых разных расчетов (статистических, астрономических, экономических и т. д.) вплоть до середины XX века.
В тридцатых годах XX века в разных странах начались разработки принципиально иных устройств — программно-управляемых релейных вычислительных машин. Считается, что первая в мире программно-управляемая электромеханическая вычислительная машина под названием «Z-3» была создана Конрадом Цузе в Германии в 1939-1941 годах. Эта машина могла «помнить» до 64 чисел одновременно и выполняла сложение двух чисел за 0,3 с (секунды), а умножение — за 5 с. Однако возможности и этой, и созданной после войны более совершенной модели «Z-4» по составлению программ были достаточно скромными. В частности, не было возможности осуществлять программный выбор одного из нескольких возможных вариантов действий. Это не позволяет считать «Z-3» универсальной вычислительной машиной.
Полностью идеи Чарльза Бэббиджа впервые были реализованы в машине «Марк-1», разработанной в фирме IBM под руководством Говарда Айкена в 1937-1944 годах. Эта машина считается первой в мире универсальной программно-управляемой вычислительной машиной. Вместе с тем устройство для выполнения арифметических действий в машине «Марк-1» было чисто механическим. Затем, в 1947 году, была построена полностью релейная (то есть электромеханическая) машина «Марк-2». Она выполняла одну операцию умножения за 0,7 с.
|
|
|
