Задание 10. Какие объекты являются основными в реляционной базе данных?

Какие объекты являются основными в реляционной базе данных?

Ответ: таблицы, формы, запросы, отчёты.

Глава III. Аппаратные средства информатики

§1. Логические элементы

В алгебре высказываний простые и неделимые предложения (высказывания) нами обозначались большими буквами: A, B, C, D и т.д. С помощью логических операций (см. табл. 5 – 10) из простых предложений можно образовывать сложные предложения путём многократного применения указанных операций. Результатом этого появляются многоступенчатые конструкции, называемые формулами. В то же самое время любое сложное предложение можно представить в формульном виде. Например, обозначим через X предложение: Если пойдёт дождь или выпадет снег, то я пойду в кино.

Выделим в нём простые высказывания: A = пойдёт дождь; B = выпадет снег; C = я пойду в кино. Тогда, используя операции дизъюнкцию и импликацию получим для X формулу:

. (1)

Перебором на множестве S = { И, Л } всевозможных значений A, B, C можно получить восемь значений X истинностный смысл которых иллюстрирует таблица 15.

Таблица 15.

Содержательный же смысл символов X как сложного предложения отражён в таблице 16.

Таблица 16.

Сложные предложения в таблице 16 показывают, что с помощью трёх операндов A, B, C и логических связок или и если … то можно построить только восемь логически правильных форм сложных предложений. И это подтверждается опытом нашего мышления, которое в данном случае формализуется с помощью формулы (1) и таблицы 15.

Такая логика, лежащая в основе алгебры высказываний, называется символической логикой.

Символьная логика способствовала появлению технических устройств, воспроизводящих процесс умозаключений вместо человека. Эти устройства были механические, потому что манипулирование подвижными элементами указанных устройств осуществлялось человеком; а так как они реализовывали логические операции, то их стали называть логическими машинами механического типа.

Для построения современных логических устройств потребовался переход от символьной логики к цифровой логике.

Для раскрытия сущности цифровой логики рассмотрим электрическую схему постоянного тока, изображённую на рисунке 15. Лампа C загорается только тогда, когда замкнуты выключатели A и B. Полученную ситуацию можно описать таблицей состояний (табл. 17), в которой перечислены все возможные варианты состояний элементов этой схемы.

Таблица 17 Таблица 18 Таблица 19

Если положению «выкл.» поставить в соответствие символ «Л» (ложно), а положению «вкл.» - символ «И» (истинно), то A = И означает, что контакты выключателя A замкнуты, С = И означает – лампочка С горит.

При такой перекодировке элементов таблица 17 получаем таблицу 18, элементы которой совпадают с элементами таблицы 5 символьной логики. Так как таблица 5 определяет правила выполнения логической операции конъюнкции, то следовательно C = A · B, и электрическая схема 15 реализует указанную операцию.

В алгебре высказываний таблица 5 называется таблицей истинности логической операции конъюнкции.

Если отказаться от ручного управления электрической схемы 15 и перейти к управлению её с помощью электрических сигналов, то надо от символов перейти к цифрам. В цифровой логике такими цифрами являются 0 и 1 и новая перекодировка такова: Л = 0, И = 1, A = x₁, B = x₂, C = x₁ · x₂. Здесь x₁ и x₂ суть булевы переменные, принимающие значения либо ноль, либо единица. В рамках цифровой логики электрическая схема 15 реализует логическую операцию конъюнкции булевой алгебры, правила выполнения которой представлены в таблице 19.

При реализации цифровой логики на электрических или электронных схемах вводится понятие цифрового сигнала. На электрических схемах цифровой сигнал «ноль» - это постоянное во времени напряжение низкого уровня, а сигнал «единица» - высокого уровня (рис. 16). Сигнал «ноль» на электронных схемах – это прямоугольный импульс минимальной длительности и минимального напряжения; сигнал же «единица» - это импульс минимальной длительности, но определённого небольшого напряжения (рис. 17).

Рис. 16. Форма цифрового сигнала на электрических схемах (U – напряжение, t – время)	Рис. 17. Форма цифрового сигнала на электронных схемах ( - длительность импульса)

Рис. 18. Простейшая схема дизъюнктора

Рассмотрим электрическую схему на рисунке 18. Лампочка C горит, когда замкнуты контакты выключателей A или B.

В таблице 20 перечислены всевозможные наблюдаемые состояния элементов A, B, C данной схемы, таблица 21, совпадающая с таблицей 6 алгебры высказываний, суть таблица истинности логической операции дизъюнкции, наконец, таблица 22 представляет правила булевой алгебры выполнения указанной операции.

Таблица 20 Таблица 21 Таблица 22

Таким образом, мы рассмотрели технические устройства, реализующие логические операции конъюнкцию и дизъюнкцию.

Устройства такого типа называются логическими элементами.

Рассмотренные электрические схемы (рис. 15 и 18) иллюстрируют возможность создания на базе электрических цепей устройств, реализующих логические операции. Первыми из таких устройств, используемых при создании первых электрических вычислительных машин, били логические элементы на базе электромагнитных реле.

На рисунках 19 и 20 изображены простейшие схемы электромагнитных реле.

Рис. 19. Электромагнитное реле с нормально разомкнутым контактом	Рис. 20. Электромагнитное реле с нормально замкнутым контактом

Такие устройства по электрическому сигналу включают или выключают переключатель A, тем самым участок цепи l из состояния наличия тока в нём, переводится в состояние отсутствия тока или наоборот. Таким сигналом служит наличие или отсутствие тока в обмотке B электромагнита. Указанные состояния участка цепи и обмотки характеризуется булевой переменной x.

Технически устройство (рис. 19) выполнено так, что в исходном состоянии тока нет в обмотке электромагнита (x = 0), переключатель A выключен и на участке цепи l ток не проходит (x = 0). Если ток в обмотке есть (x = 1), то подвижная часть электромагнита включает переключатель A, участок l становится замкнутым и по нему проходит ток (x = 1).

Такое устройство из участка цепи l (знаки плюс и минус указывают направление движения тока), переключателя A и электромагнита с обмоткой B называют электромагнитным реле с нормально разомкнутым контактом (рис. 19).

В электромагнитном реле с нормально замкнутым контактом (рис. 20) состояние обмотки B характеризуется булевой переменной x, состояние участка цепи l переменной не- x (). Действительно, пусть в обмотке B тока нет (x = 0), но переключатель A включен и ток проходит по участку цепи l. Это состояние цепи является противоположным состоянию обмотки и должно характеризоваться логической единицей, которую получаем, инвертируя состояние обмотки, т.е. . Аналогично, если состояние обмотки характеризуется как x = 1, то участок цепи – как .

В электротехнике, обычно, наличие тока на участке цепи фиксируется по величине падения напряжения на сопротивлении R, поэтому при построении логических элементов на электромагнитных реле в участок цепи включается сопротивление R.

На рисунке 21 приведена упрощённая схема логического элемента на двух электромагнитных реле с нормально разомкнутыми контактами. Этот элемент реализует логическую операцию конъюнкцию (говорят: элемент «И»).

Рис. 21. Электрическая схема логического элемента «И»

Электрическая схема логического элемента «ИЛИ» представлена рисунком 22.

Рис. 22. Электрическая схема логического элемента «ИЛИ»

Электрическая схема элемента «НЕ» строится с использованием электромагнитного реле с нормально замкнутым контактом (рис. 23)

Рис. 23. Электрическая схема логического элемента «НЕ»

Первая электрическая вычислительная машина Mark-1 была создана на основе логических элементов, функционирующих на электромагнитных реле. Фактически, как машина, использующая только логические операции, её следую называть логической машиной. Однако, своё название «вычислительная» она получила потому, что она автоматизировала выполнение только арифметических операций. Практика использования логической машины Mark-1 для автоматического выполнения вычислительных операций показала, что устройство на таких логических элементах обладает малым быстродействием из-за того, что время перевода логического элементы из одного состояния в другое с помощью электромагнитных реле достаточно велико. Вследствие чего время выполнения одной из арифметических операций на машине Mark-1 длилось от одной минуты до трёх.

Потребовалась новая элементная база для создания логических элементов. Одним из элементов указанной базы оказалась радиолампа – триод.

Рис. 24 Схема триода

Триод (рис. 24) представляет небольшой стеклянный баллончик, из которого откачен воздух. Внутри этого баллончика впаяны три электрода: A – анод, B – катод и C – сетка. Триод используется для создания трёх электрических цепей, именно, цепь «анод – катод», «цепь катода» и цепь «стека – катод». В цепи катода электрод B нагревается электрическим током из-за большого сопротивления катода тепловая энергия в нём становится достаточной для того, чтобы свободные электроны покидали катод. Вследствие чего внутри лампы, в окрестности катода образуется электронное «облако», т.е. облако из отрицательно заряженных частиц. Если теперь на аноде создать положительный потенциал (заряд), то электроны от катода устремятся к аноду, и цепь «анод – катод» будет замкнута. В этом случае говорят, что лампа открыта. Это одно из её состояний. Если же теперь на сетку подать отрицательный заряд (потенциал), то ввиду того, что одноимённые отрицательные заряды отталкиваются, электроны от катода не долетают до анода, и цепь «анод – катод» будет разомкнута. В этом случае говорят, что лампа заперта.

Итак, можно составить электрическую схему, в которой радиолампа – триод, состоящая из трёх электродов A, B, C, может находиться в двух наблюдаемых состояниях. При этом перевод триода из одного состояния в другое, осуществляемый электрическими сигналами разных знаков, производится довольно быстро. Это свойство триода было использовано для создания логических элементов на базе радиотехнических схем.

На таких логических элементах были созданы электронные вычислительные машины (ЭВМ) первого поколения. Быстродействие этих ЭВМ было от пяти до двадцати тысяч арифметических операций в секунду.

Рис. 25. Схема полупроводникового транзистора

Вычислительные машины первого поколения были все ещё громоздкими и, из-за больших напряжений тока в радиотехнических цепях, в них выделялись большие потоки тепла в процессе работы машины. Эти тепловые потоки изменяли оптимальный режим функционирования радиоламп, что приводило к сбою работы вычислительной машины. Например, любая ЭВМ этого поколения не могла работать в непрерывном режиме более полутора часов, что препятствовало выполнению больших по объёму вычислительных операций.

Переход от ЭВМ первого поколения к вычислительным машинам второго поколения связан с созданием логических элементов на базе полупроводниковой техники. В этом случае место радиолампы заменил полупроводниковый транзистор (рис. 25).

Полупроводниковый транзистор по характеру электрических цепей аналогичен радиолампе. В нём роль анода выполняет коллектор, катода – эммитер, сетки – база.

Рис. 26. Схема логического элемента НЕ

В качестве примера приведём (рис. 26) упрощённую электрическую схему логического элемента НЕ, выполненную на полупроводниковом транзисторе.

Состояния этого элемента таковы. Пусть на вход элемента подаётся нулевое напряжение тока (U_вх = 0, x = 0), тогда транзистор закрыт (цепь «коллектор – эммитер» прервана). На выходе в таком случае будет иметь напряжение практически равное положительному напряжению на коллекторе (U_вых ≈ E_к, X = 1). Это одно из наблюдаемых состояний данной электрической сети, когда величина выходного сигнала U_вых противоположна по значению величине входного сигнала U_вх.

Чтобы перевести рассматриваемую цепь во второе наблюдаемое состояние необходимо на участок базы (вход цепи) подать ненулевое положительное напряжение U_вх ≠ 0 (x = 1), тогда транзистор откроется и по цепи «коллектор – эммитер» потечёт электрический ток. Вследствие чего напряжение на выходе будет сниматься с транзистора, которое будет практически равным нулю (U_вых = 0, X = 0) из-за малого сопротивления последнего.

В наших обозначениях значения входного напряжения Uвх мы характеризуем значениями булевой переменной x, а значения выходного напряжения значениями X как результата операции, в следствие чего получаем, что данная электрическая схема исполняет логическую операцию отрицания, в рамках формулы.

Здесь читается как не-x, а такой элемент (рис. 26) называется инвертером.

Для изображения логических элементов на электронных схемах существуют определённые обозначения. Согласно отечественной системе обозначения указанных элементов таковы:

Рис. 27 Повторитель	Рис. 28 Инвертор

Рис. 29 Дизъюнктор с двумя входами и одним выходом	Рис. 30 Дизъюнктор с двумя входами и одним инверсным выходом

Рис. 31 Конъюнктор с двумя входами и одним выходом	Рис. 32 Конъюнктор с двумя входами и одним инверсным выходом

Рис. 33 Триггер

Заметим, что число входов и выходов у дизъюнкторов и конъюнкторов может быть больше тех, которые указаны на рисунках 29-32.

Таблица 23
x1	x2
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Из логических элементов можно строить более сложные логические устройства. К числу таковых относится триггер как логическое устройство, предназначенное для хранения значений булевых переменных. Он построен из двух дизъюнкторов A и B каждый из которых имеет по два входа и по одному инверсному выходу (рис. 33). При этом два конъюнктора объединены по схеме с обратной связью так, что сигнал с выхода каждого из них подаётся на вход другого.

Один из входов логического элемента A помечен символом R, а у элемента B один из входов отмечен символом S. По названию этих входов данное логическое устройство (рис. 33) называют RS – триггером. Логические элементы A и B этого триггера исполняют логическую операцию ИЛИ-НЕ, правило выполнения, которой представлено таблицей 23. Триггер имеет два входа, один из которых Q – прямой выход, а другой – инверсный. Так как значения цифровых сигналов на входах R и S определяют значения сигналов на выходах триггера, то указанные входы называются информационными.

Для анализа характера функционирования RS – триггера необходимо, прежде всего, обозначения входов триггера на рисунке 33 привести в соответствие с обозначениями входов дизъюнктора (рис. 30) и булевыми переменными x₁ и x₂ таблицы 23.

Действительно, у дизъюнктора A: вход R – это x₁, а другой вход – это x₂, если следовать обозначениям рисунка 30. Аналогично у дизъюнктора B: вход S – это x₂, а другой вход – это x₁.

Теперь рассмотрим случай цифровых сигналов, когда R = 0, а S = 1. Сначала рассмотрим сигналы на входах дизъюнктора A: R = 0 = x₁ и пусть x₂ = 0. Тогда по таблице 23 комбинации булевых переменных x₁ = 0, x₂ = 0 соответствует . Следовательно, на входе элемента A будем иметь Q = 1. Этот выходной сигнал элемента A, равные единице по схеме обратной связи попадает на вход x₁ дизъюнктора B. После чего на входе дизъюнктора B будем иметь комбинацию цифровых сигналов: x₁ = 1, x₂ = 1 = S.

По таблице 23 указанная комбинация входных сигналов даёт , что соответствует цифровому сигналу на инверсном входе триггера. По схеме обратной связи сигнал устойчиво держит x₂ = 0 на втором входе дизъюнктора A, что в свою очередь обеспечивает устойчивое состояние цифрового сигнала на прямом выходе триггера.

Аналогичными рассуждениями можно показать, что если на входе триггера R = 1, а S = 0, то на прямом выходе триггера будет устойчивое состояние цифрового сигнала .

Такое свойство RS – триггера позволяет его использовать в качестве ячейки памяти, в которой устойчиво может находиться цифровой сигнал либо в форме нуля, либо единицы.

Таблица состояний RS – триггера, как единого логического элемента представлена таблицей 24, данные которой вычисляются по следующей логической формуле

,

где Q₀ – текущее состояние триггера.

Таблица 24 S R Q 0 0 Q0 0 1 0 1 0 1 1 1 *
Рис. 34 Условное изображение RS – триггера

Символ «звёздочка» в указанной таблице означает, что цифровые сигналы этой строки таблицы являются запрещёнными.

Условное изображение RS – триггера на электронных схемах показано на рисунке 34.

В цифровой электронной технике логические элементы используются для конструирования комбинационных электронных схем; называемых цифровыми автоматами без памяти.

Чтобы понять сущность переработки символьной информации в таких устройствах рассмотрим два алфавита. Первый из них назовём алфавит X, и пусть он содержит три символа: ж, с, к, означающие цвета – жёлтый, синий и красный соответственно. Второй алфавит обозначим через Y, и пусть он содержит шесть символов: ж, с, к, з, о, ф; которые соответствуют следующим цветам – жёлтый, синий, красный, зелёный, оранжевый и фиолетовый соответственно.

Из опыта известно, что если краску жёлтого цвета смешать с жёлтой, то получим тот же жёлтый цвет. Если же, например, к жёлтой краске добавить красную, то получим краску оранжевого цвета.

В рамках алфавита X и Y такого рода правило смешения цветов можно символически представить так:

Это правило позволяет получать один цвет из двух, и формально механизм смешения цветов можно представить в виде некоторого устройства на вход, которого поступает два слова, а на выходе получается одно слово.

Символы указанного правила закодируем десятичными и двоичными числами (см. табл. 25).

Теперь рассматриваемое правило можно представить в числовом коде, который получается заменой символов десятичными или двоичными числами согласно таблице 25. Например, в двоичном коде правило смешения цветов выглядит так:

000 000 → 000, 000 010 → 100, 001 010 → 101,

000 001 → 011, 010 000 → 100, 010 001 → 101,

001 000 → 011, 001 001 → 001, 010 010 → 010.

В таком виде рассматриваемое правило реализуется на базе цифровой электронной технике. Именно, входные и выходные слова кодируются цифровыми сигналами, а электронная схема преобразовывает входные сигналы в выходные.

Рис. 35 Устройство по переработке информации

В самом общем виде подобный процесс переработки информации с помощью логических устройств механического или электрического типа можно формально представить следующим образом.

Рассмотрим некоторое устройство (рис. 35) с n входами и m выходами. На его вход подаётся слово P_i, набранное из n букв, взятых из алфавита X = { x₁, x₂, … x_k }. Тогда на выходе будем иметь выходное слово Q_j, составленное из m букв алфавита Y = { y₁, y₂, … y_l }.

Это устройство осуществляет преобразование слова P_i в слово Q_j в соответствие с некоторым правилом типа

P_i → Q_j, i = 1, 2, … n, j = 1, 2, … m (1)

Устройство, условия работы которого, описываются при помощи правила (1) называется конечным автоматом, без памяти или комбинационной схемой. Это устройство работает так: при появлении входного слова P_i устройство выдаёт слово Q_j.

Разобранное ранее правило смешения цветов является частным случаем правила (1).

В цифровой электронной технике используется алфавит, состоящий из двух символов: 0 и 1, легко реализуемый с помощью электрических сигналов.

Комбинационные схемы, реализуемые на элементах электроники, называются электронными комбинационными схемами или цифровыми автоматами без памяти. Правило (1) в теории цифровых автоматов называется таблицей состояний цифрового автомата.

В качестве примера, реализуемого в цифровой вычислительной технике, рассмотрим электронную комбинационную схему, осуществляющую сложение двоичных чисел в одном разряде. Такая схема называется одноразрядным сумматором. Она должна функционировать по правилам сложения двоичной арифметики, которые представлены в таблице 26. В этой таблице через a_i и b_i обозначены значения двоичных цифр в i - ом разряде, а через S_i – результат, получаемый в этом разряде. Заметим, что в последней строке S_i = 0, так как двоичная двойка суть двухразрядное число 10, где единица уже находится в старшем разряде. Поэтому данный результат трактуют так: 1 + 1 = 0 и перенос единицы в старший разряд. В дальнейшем через P_i+1 обозначим величину переноса в старший разряд, а под P_i будем подразумевать величину переноса из (i – 1)- го разряда.

В таблице 27 выписаны всевозможные комбинации чисел a_i, b_i, S_i, P_i и P_i+1, которые могут иметь место при сложении всевозможных двоичных чисел. Эта таблица суть таблица состояний цифрового автомата, который необходимо реализовать средствами цифровой электроники.

Однако, данную таблицу можно также рассматривать как таблицу логических функций S_i и P_i+1 от переменных a_i, b_i и P_i, т.е. S_i = S_i (a_i b_i P_i) и P_i+1 = P_i+1 (a_i b_i P_i). В таком представлении различные комбинации комплекса чисел (a_i b_i P_i) суть набор булевых переменных, а соответствующий им набор чисел S_i и P_i+1 представляют значения логических функций S_i и P_i+1.

Таблично заданные логические функции можно представить в аналитическом виде. Согласно известным положениям логические функции S_i и P_i+1 в нормальной дизъюнктивной форме (НДФ) будут иметь следующий вид

, (2)

. (3)

Выражение для логической функции (3) может быть упрощено. Для этого воспользуемся общеизвестными формулами

(4)

Применение формул (4) при упрощении логических выражений называется операцией склеивания. Объединяя в (3) с помощью (4) первое слагаемое с четвёртым, второе с четвёртым и третье с четвёртым, получаем вместо (3):

(5)

Рис. 36 Комбинационная схема одноразрядного сумматора

Вычислительным путём можно доказать, что логические функции (2), (3) и (5) посредством логических операций дизъюнкции, конъюнкции и отрицания осуществляют сложение двоичных чисел a_i и b_i. Следовательно, электронная комбинационная схема, реализующая указанные логические функции будет осуществлять сложение двух двоичных чисел в рамках цифровых сигналов.

Сложность такого рода электронных схем зависит от сложности логических выражений, которые они моделируют. Поэтому в данном случае для построения комбинационной схемы одноразрядного сумматора будем использовать выражение (2) и (5). Для этого нам потребуется три инвертора, семь конъюнкторов и два дизъюнктора. В традиционных обозначениях для логических элементов данная электронная схема изображена на рисунке (36).

Она функционирует следующим образом. На вход подаются цифровые сигналы a_i, b_i и P_i, а на выходе получаются сигналы S_i и P_i+1. С помощью дополнительных устройств эти сигналы могут быть переведены в числа.

§2. Задачи на комбинационные схемы

Задача 1. Какое логическое выражение реализует данная электронная схема?

Ответ:

Задача 2. Напишите логическое выражение, исполняемое данной комбинационной схемой.

Ответ:

Задача 3. Написать логическое выражение, которое реализуется данной комбинационной схемой.

Ответ:

Задача 4. Какое логическое выражение реализуется данной электронной схемой.

Ответ:

§3. История развития вычислительной техники.

История компьютера тесным образом связана с попытками облегчить и автоматизировать большие объемы вычислений. Даже простые арифметические операции с большими числами затруднительны для человеческого мозга. Поэтому уже в древности появилось простейшее счетное устройство - абак. В семнадцатом веке была изобретена логарифмическая линейка, облегчающая сложные математические расчеты. В 1642 году Блез Паскаль сконструировал восьмиразрядный суммирующий механизм. Два столетия спустя в 1820 году француз Шарль де Кольмар создал арифмометр, способный производить умножение и деление. Этот прибор прочно занял свое место на бухгалтерских столах.
Все основные идеи, которые лежат в основе работы компьютеров, были изложены еще в 1833 году английским математиком Чарльзом Бэббиджем. Он разработал проект машины для выполнения научных и технических расчетов, где предугадал основные устройства современного компьютера, а также его задачи. Управление такой машиной должно было осуществляться программным путем. Для ввода и вывода данных Бэббидж предлагал использовать перфокарты - листы из плотной бумаги с информацией, наносимой с помощью отверстий. В то время перфокарты уже использовались в текстильной промышленности. Отверстия в них пробивались с помощью специальных устройств - перфораторов. Идеи Бэббиджа стали реально воплощаться в жизнь в конце 19 века.

В 1888 году американский инженер Герман Холлерит сконструировал первую электромеханическую счетную машину. Эта машина, названная табулятором, могла считывать и сортировать статистические записи, закодированные на перфокартах. В 1890 году изобретение Холлерита было впервые использовано в 11-й американской переписи населения. Работа, которую пятьсот сотрудников выполняли в течение семи лет, Холлерит сделал с 43 помощниками на 43 табуляторах за один месяц.
В 1896 году Герман Холлерит основал фирму Computing Tabulating Recording Company, которая стала основой для будущей Интернэшнл Бизнес Мэшинс (International Business Machines Corporation, IBM) - компании, внесшей гигантский вклад в развитие мировой компьютерной техники.
Дальнейшие развития науки и техники позволили в 1940 -х годах построить первые вычислительные машины. Создателем первого действующего компьютера Z1 с программным управлением считают немецкого инженера Конрада Цузе.

В феврале 1944 года на одном из предприятий Ай-Би-Эм (IBM) в сотрудничестве с учеными Гарвардского университета по заказу ВМС США была создана машина "Mark 1". Это был монстр весом около 35 тонн. В "Mark 1" использовались механические элементы для представления чисел и электромеханические - для управления работой машины. Числа хранились в регистрах, состоящих из десятизубных счетных колес. Каждый регистр содержал 24 колеса, причем 23 из них использовались для представления числа (т.е. "Mark 1" мог "перемалывать" числа длиной до 23 разрядов), а одно - для представления его знака. Регистр имел механизм передачи десятков и поэтому использовался не только для хранения чисел; находящееся в одном регистре, число могло быть передано в другой регистр и добавлено к находящемуся там числу(или вычтено из него). Всего в "Mark 1" было 72 регистра и, кроме того, дополнительная память из 60 регистров, образованных механическими переключателями. В эту дополнительную память вручную вводились константы - числа, которые не изменялись в процессе вычислений.

Умножение и деление производилось в отдельном устройстве. Кроме того, машина имела встроенные блоки, для вычисления sin x, 10^x и log x. Скорость выполнения арифметических операций в среднем составляла: сложение и вычитание - 0,3 секунды, умножение - 5,7 секунды, деление - 15,3 секунды. Таким образом "Mark 1" был "эквивалентен" примерно 20 операторам, работающим с ручными счетными машинами.
В 1946 в США была создана первая электронная вычислительная машина (ЭВМ) - ENIAC (Electronic Numerical integrator and Computer - Электронный числовой интегратор и компьютер). Разработчики: Джон Мочи (John Маuchу) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Он был произведен на свет в Школе электрической техники Moore (при университете в Пенсильвании). Время сложения - 200 мкс, умножения - 2800 мкс и деления - 24000 мкс. Компьютер содержал 17468 вакуумных ламп шестнадцати типов, 7200 кристаллических диодов и 4100 магнитных элементов. Общая стоимость базовой машины - 750000 долларов. Стоимость включала дополнительное оборудование, магнитные модули памяти (по цене 29706,5 доллара) и аренду у IBM (по 82,5 доллара в месяц) устройства считывания перфокарт (125 карт в минуту). Потребляемая мощность ENIAC - 174 кВт. Занимаемое пространство - около 300 кв. м.

В Советском Союзе первая электронная цифровая вычислительная машина была разработана в 1950 году под руководством академика С. А. Лебедева в Академии наук Украинской ССР. Она называлась «МЭСМ» (малая электронная счётная машина).

Принято считать, что все существующие ЭВМ делятся, в зависимости от того, что положено в их конструктивную и элементную основу на пять поколений.

Большинство машин первого поколения (1945-1954) - ЭВМ на электронных лампах, были экспериментальными устройствами и строились с целью проверки тех или иных теоретических положений. Вес и размеры этих компьютерных динозавров, которые нередко требовали для себя отдельных зданий, давно стали легендой. Ввод чисел в первые машины производился с помощью перфокарт, а программное управление последовательностью выполнения операций осуществлялось, например в ENIAC, как в счетно-аналитических машинах, с помощью штеккеров и наборных полей. Хотя такой способ программирования и требовал много времени для подготовки машины, то есть для соединения на наборном поле (коммутационной доске) отдельных блоков машины, он позволял реализовывать счетные "способности" ENIAC'а и тем выгодно отличался от способа программной перфоленты, характерного для релейных машин.

Первой серийно выпускавшейся ЭВМ 1-го поколения стал компьютер UNIVAC (Универсальный автоматический компьютер). Разработчики: Джон Мочли (John Mauchly) и Дж. Преспер Эккерт (J. Prosper Eckert). Он был первым электронным цифровым компьютером общего назначения. UNIVAC, работа по созданию которого началась в 1946 году и завершилась в 1951-м, имел время сложения 120 мкс, умножения -1800 мкс и деления - 3600 мкс. UNIVAC мог сохранять 1000 слов, 12000 цифр со временем доступа до 400 мкс максимально. Магнитная лента несла 120000 слов и 1440000 цифр. Ввод/вывод осуществлялся с магнитной ленты, перфокарт и перфоратора. Его первый экземпляр был передан в Бюро переписи населения США.

Программное обеспечение компьютеров 1-го поколения состояло в основном из стандартных подпрограмм. Машины этого поколения: «ENIAC», «МЭСМ», «БЭСМ», «IBM -701», «Стрела», «М-2», «М-3», «Урал», «Урал-2», «Минск-1», «Минск-12», «М-20» и др. Эти машины занимали большую площадь, использовали много электроэнергии и состояли из очень большого числа электронных ламп. Например, машина «Стрела» состояла из 6400 электронных ламп и 60 тыс. штук полупроводниковых диодов. Их быстродействие не превышало 2—3 тыс. операций в секунду, оперативная память не превышала 2 Кб. Только у машины «М-2» (1958) оперативная память была 4 Кб, а быстродействие 20 тыс. операций в секунду.

ЭВМ 2-го поколения были разработаны в 1950—60 гг. В качестве основного элемента были использованы полупроводниковые диоды и транзисторы, а в качестве устройств памяти стали применяться магнитные сердечники и магнитные барабаны - далекие предки современных жестких дисков.

Второе отличие этих машин — это то, что появилась возможность программирования на алгоритмических языках. Были разработаны первые языки высокого уровня - Фортран, Алгол, Кобол. Эти два важных усовершенствования позволили значительно упростить и ускорить написание программ для компьютеров. Программирование, оставаясь наукой, приобретает черты ремесла. Все это позволило резко уменьшить габариты и стоимость компьютеров, которые тогда впервые стали строиться на продажу.
Машины этого поколения: «РАЗДАН-2», «IВМ-7090», «Минск-22,-32», «Урал- 14,-16», «БЭСМ-3,-4,-6», «М-220, -222» и др. Применение полупроводников в электронных схемах ЭВМ привели к увеличению достоверности, производительности до 30 тыс. операций в секунду, и опера­тивной памяти до 32 Кб. Уменьшились габаритные размеры машин и потребление электроэнергии.

Разработка в 60 -х годах интегральных схем - целых устройств и узлов из десятков и сотен транзисторов, выполненных на одном кристалле полупроводника (то, что сейчас называют микросхемами) привело к созданию ЭВМ 3-го поколения.

В это же время появляется полупроводниковая память, которая и по сей день используется в персональных компьютерах в качестве оперативной. Применение интегральных схем намного увеличило возможности ЭВМ. Теперь центральный процессор получил возможность параллельно работать и управлять многочисленными периферийными устройствами. ЭВМ могли одновременно обрабатывать несколько программ (принцип мультипрограммирования). В результате реализации принципа мультипрограммирования появилась возможность работы в режиме разделения времени в диалоговом режиме. Удаленные от ЭВМ пользователи получили возможность, независи­мо друг от друга, оперативно взаимодействовать с машиной.

Начиная с ЭВМ 3-го поколения, традиционным стала разработка серийных ЭВМ. Хотя машины одной серии сильно отличались друг от друга по возможностям и производительности, они были информационно, программно и аппаратно совместимы. Например, странами СЭВ были выпущены ЭВМ единой серии («ЕС ЭВМ») «ЕС-1022», «ЕС-1030», «ЕС-1033», «ЕС-1046», «ЕС-1061», «ЕС-1066» и др. Производительность этих машин достигала от 500 тыс. до 2 млн. операций в секунду, объём оперативной памяти достигал от 8 Мб до 192 Мб. К ЭВМ этого поколения также относится «IВМ-370», «Электроника 100/25», «Электроника 79», «СМ-3», «СМ-4» и др.

Для этих серий ЭВМ было сильно расширено программное обеспечение (операционные системы, языки программирования высокого уровня, прикладные программы и т.д.).

Еще в начале 60-х появляются первые миникомпьютеры - небольшие маломощные компьютеры, доступные по цене небольшим фирмам или лабораториям. Миникомпьютеры представляли собой первый шаг на пути к персональным компьютерам, пробные образцы которых были выпущены только в середине 70-х годов. Известное семейство миникомпьютеров PDP фирмы Digital Equipment послужило прототипом для советской серии машин СМ.
Между тем количество элементов и соединений между ними, умещающихся в одной микросхеме, постоянно росло, и в 70-е годы интегральные схемы содержали уже тысячи транзисторов. Это позволило объединить в единственной маленькой детальке большинство компонентов компьютера - что и сделала в 1971 г. фирма Intel, выпустив первый микропроцессор, который предназначался для только-только появившихся настольных калькуляторов. Этому изобретению суждено было произвести в следующем десятилетии настоящую революцию - ведь микропроцессор является сердцем и душой современного персонального компьютера.

Начиная с середины 1970 -х годов стройная картина смены поколений ЭВМ нарушается. Все меньше становится принципиальных новаций в компьютерной науке. Прогресс идет в основном по пути развития того, что уже изобретено и придумано, - прежде всего за счет повышения мощности и миниатюризации элементной базы и самих компьютеров.
Обычно считается, что период с 1975 г. принадлежит компьютерам четвертого поколения. Их элементной базой стали большие интегральные схемы (БИС). В одном кристалле БИС размещено до 100 тысяч элементов.

Быстродействие этих машин составляло десятки млн. операций в секунду, а оперативная память достигла сотен Мб. Появились микропроцессоры (1971 г. фирма Intel), микро-ЭВМ и персональные ЭВМ. Стало возможным коммунальное использование мощности разных машин (соединение машин в единый вычислительный узел и работа с разделением времени).
Однако, есть и другое мнение - многие полагают, что достижения периода 1975-1985 г.г. не настолько велики, чтобы считать его равноправным поколением. Сторонники такой точки зрения называют это десятилетие принадлежащим "третьему-с половиной" поколению компьютеров. И только с 1985 г., когда появились супербольшие интегральные схемы (СБИС) - в кристалле такой схемы может размещаться до 10 млн. элементов, следует отсчитывать годы жизни собственно четвертого поколения, здравствующего и по сей день.

Развитие ЭВМ 4-го поколения пошло по 2 направлениям: 1-ое направление - создание суперЭВМ - комплексов многопроцессорных машин. Быстродействие таких машин достигает нескольких миллиардов операций в секунду. Они способны обрабатывать огромные массивы информации. Сюда входят комплексы ILLIAS-4, CRAY, CYBER, «Эльбрус-1», «Эльбрус-2» и др. Многопроцессорные вычислительные комплексы (МВК) "Эльбрус-2" активно использовались в Советском Союзе в областях, требующих большого объема вычислений, прежде всего, в оборонной отрасли. Вычислительные комплексы "Эльбрус-2" эксплуатировались в Центре управления космическими полетами, в ядерных исследовательских центрах. Наконец, именно комплексы "Эльбрус-2" с 1991 года использовались в системе противоракетной обороны и на других военных объектах.

2-ое направление — дальнейшее развитие на базе БИС и СБИС микро-ЭВМ и персональных ЭВМ (ПЭВМ). Первыми представителями этих машин являются Apple, IBM - PC (XT, AT, PS /2), «Искра», «Электроника», «Мазовия», «Агат», «ЕС-1840», «ЕС-1841» и др. Начиная с этого поколения ЭВМ стали называть компьютерами. Благодаря появлению и развитию персональных компьютеров (ПК), вычислительная техника становится по-настоящему массовой и общедоступной. Складывается парадоксальная ситуация: несмотря на то, что персональные и миникомпьютеры по-прежнему во всех отношениях отстают от больших машин, львиная доля новшеств - графический пользовательский интерфейс, новые периферийные устройства, глобальные сети - обязаны своим появлением и развитием именно этой "несерьезной" техники. Большие компьютеры и суперкомпьютеры, конечно же, не вымерли и продолжают развиваться. Но теперь они уже не доминируют на компьютерной арене, как было раньше.

ЭВМ пятого поколения - это ЭВМ будущего. Программа разработки, так называемого, пятого 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 Пролог и новшеств в конструкции компьютеров планировалось вплотную подойти к решению одной из основных задач этой ветви компьютерной науки - задачи хранения и обработки знаний. Коротко говоря, для компьютеров пятого поколения не пришлось бы писать программ, а достаточно было бы объяснить на "почти естественном" языке, что от них требуется.

Предполагается, что их элементной базой будут служить не СБИС, а созданные на их базе устройства с элементами искусственного интеллекта. Для увеличения памяти и быстродействия будут использоваться достижения оптоэлектроники и биопроцессоры. На ЭВМ пятого поколения ставятся совершенно другие задачи, нежели при разработке всех прежних ЭВМ. Если перед разработчиками ЭВМ с I по IV поколений стояли такие задачи, как увеличение производительности в области числовых расчётов, достижение большой ёмкости памяти, то основной задачей разработчиков ЭВМ V поколения является создание искусственного интеллекта машины (возможность делать логические выводы из представленных фактов), развитие "интеллектуализации" компьютеров - устранения барьера между человеком и компьютером.

К сожалению, японский проект ЭВМ пятого поколения повторил трагическую судьбу ранних исследований в области искусственного интеллекта. Более 50-ти миллиардов йен инвестиций были потрачены впустую, проект прекращен, а разработанные устройства по производительности оказались не выше массовых систем того времени. Однако, проведенные в ходе проекта исследования и накопленный опыт по методам представления знаний и параллельного логического вывода сильно помогли прогрессу в области систем искусственного интеллекта в целом.

Уже сейчас компьютеры способны воспринимать информацию с рукописного или печатного текста, с бланков, с человеческого голоса, узнавать пользователя по голосу, осуществлять перевод с одного языка на другой. Это позволяет общаться с компьютерами всем пользователям, даже тем, кто не имеет специальных знаний в этой области.

Многие успехи, которых достиг искусственный интеллект, используют в промышленности и деловом мире. Экспертные системы и нейронные сети эффективно используются для задач классификации (фильтрация СПАМа, категоризация текста и т.д.). Добросовестно служат человеку генетические алгоритмы (используются, например, для оптимизации портфелей в инвестиционной деятельности), робототехника (промышленность, производство, быт), а также многоагентные системы. Развиваются и другие направления искусственного интеллекта, например распределенное представление знаний и решение задач в интернете: благодаря им в ближайшие несколько лет можно ждать революции в целом ряде областей человеческой деятельности.

§4. Ответы на вопросы.

Вопрос 1:

Как называлась первая в мире ЭВМ?

Решение:

Первой в мире действующей ЭВМ стал ENIAC (США, 1945–1946 гг.). Её название по первым буквам соответствующих английских слов означает «электронно-числовой интегратор и вычислитель». Руководили ее созданием Джон Мочли и Преспер Эккерт, продолжившие начатую в конце 30-х годов работу Джорджа Атанасова. Машина содержала порядка 18 тысяч электронных ламп, множество электромеханических элементов. Ее энергопотребление равнялось 150 кВт, что вполне достаточно для обеспечения небольшого завода. По размерам она была впечатляющей: длина 26 метров, высота 6 метров, вес 35 тонн. Но поражали не размеры, а производительность – 5000 операций в секунду.

Ответ: ENIAC

Вопрос 2:

Что являлось элементной базой ЭВМ 2-го поколения?

Решение:

Более строгий подход к классификации компьютеров основан на отслеживании используемых при создании компьютеров технологий. Не секрет, что самые ранние вычислительные машины были полностью механическими системами. Тем не менее уже в 1930-х годах телекоммуникационная промышленность предложила разработчикам новые, электромеханические компоненты (реле), а в 1940-х были созданы первые полностью электронные компьютеры, имевшие в своей основе вакуумные электронные лампы. Это были ЭВМ 1-го поколения. В 1950–60-х годах на смену лампам пришли полупроводники –транзисторы (2-е поколение), а в конце 1960-х – начале 1970-х годов – полупроводниковые интегральные схемы (3-е поколение). ЭВМ 4-го поколения построены на микропроцессорах.
Одним из первых полупроводников были точечные диоды на основе сульфида свинца (Pb) и окиси олова (Sn) в детекторных радиоприемниках. Позже были разработаны полупроводники на основе германия (Ge), еще позже – на основе кремния (Si). Если посмотреть на положение этих элементов в периодической таблице Д.И. Менделеева, то можно заметить, что все они находятся в одной колонке и движение происходит вверх по колонке в таблице, поэтому можно предположить, что следующие полупроводники будут разработаны на основе углерода (C). На планете Земля белковые живые существа в своих «думателях» (мозгах) используют белковые образования (нейроны), построенные из белковых молекул, которые в основном являются длинными углеводородными молекулами, то есть некоторые белки являются полупроводниками на основе углерода (C). Наиболее совершенным мозгом из белковых существ на планете Земля обладает человек.

Ответ: транзисторы

Вопрос 3:

К какому поколению ЭВМ относятся персональные компьютеры?

Решение:

Под поколением ЭВМ понимают модели ЭВМ, характеризуемые одинаковыми технологическими и программными решениями (элементная база, логическая архитектура, программное обеспечение).

Каждое поколение в начальный момент развития характеризуется качественным скачком в росте основных характеристик компьютера, вызванным обычно переходом на новую элементную базу, а также относительной стабильностью архитектурных и технологических решений.

Разбиение поколений компьютеров по годам весьма условно. В то время как начиналось активное использование компьютеров одного поколения, создавались предпосылки для возникновения следующего. Кроме элементной базы используются следующие показатели развития компьютеров одного поколения: быстродействие, архитектура, программное обеспечение, уровень развития внешних устройств. В соответствии с этими показателями выделяют четыре реальных поколения ЭВМ.

Ответ: ПК относятся к четвертому поколению ЭВМ.

Вопрос 4:

Как называется часть процессора, в фон-неймановской архитектуре компьютера, которая выполняет команды?

Решение:

Большинство современных компьютеров основано на общих логических принципах, сформулированных Джоном фон Нейманом.Основные устройства такого компьютера:

- память (запоминающее устройство),

- процессор (включает в себя арифметико-логическое устройство и устройство управления),

- устройства ввода и вывода.

Эти устройства соединены каналами связи (или шинами), по которым передается информация.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) занимается выполнением команд и вычислениями, устройство управления (УУ) выполняет функции управления устройствами. К функциям памяти относятся: прием информации из других устройств, запоминание информации, выдача информации по запросу в другие устройства машины. Устройство ввода предназначено для ввода информации от внешних устройств компьютера.

Ответ: арифметико-логическим устройством (АЛУ).

Вопрос 5:

В зависимости от чего ЭВМ подразделяются на поколения?

Ответ: в зависимости от того, что положено в их конструктивную и элементную основу.

Вопрос 6:

Кто считается основоположником теории информации?

Ответ: Клод Шеннон

Вопрос 7:

Какое поколение ЭВМ основано на БИС (больших интегральных схемах)?

Ответ: четвёртое поколение.

Вопрос 8:

В чём заключается основная особенность при проектировании ЭВМ пятого поколения?

Ответ: в ЭВМ пятого поколения основное внимание уделяется созданию искусственного интеллекта машины.

Вопрос 9:

Как называлась первой серийно выпускавшаяся ЭВМ 1-го?

Ответ: UNIVAC

Вопрос 10:

Какая фирма выпустила первый микропроцессор?

Ответ: Intel

§5. Технические средства реализации информационных процессов.

Поиск по сайту: