1. Основные этапы развития информатики и вычислительной техники
Информатика возникла из кибернетики, впитав из последней понятие информации, идеи автоматизированного управления и коммуникации. В 40–50-е гг. XX в. идет процесс становления компьютеров и другой информационной техники. Вначале этот процесс затронул США и Великобританию, откуда и возникла «компьютерная (вычислительная) наука» (computer science). Но затем процесс компьютеризации охватил не только англоязычные страны, и название зарождающейся научный дисциплины computer science воспринималось как весьма «неуклюжее». Так возникло франкоязычное название informatique (information+automatique) – информатика (англоязычное название – informatics). Были и другие предложения (в СССР – информология, информациология,), но они не прижились. Понятие «информатика» стало международным с середины 70-х гг. Как и все новомодные научные дисциплины, информатика базируется на достижениях предшествующих научных дисциплин: кибернетики, вычислительной (прикладной) математики, электроники и др.
Понятие информации ввел в общенаучный обиход Н. Винер («Кибернетика или управление и связь в животном и машине», 1948 г., США). До Винера это понятие называлось по-другому (отражение, сведения, сообщения, сигналы и др.), но суть у этих понятий была общая – говоря современным языком, информационная. Слово «информация» происходит от informо (лат.) – придавать вид, давать понятие. Из науки понятие информации распространилось на все уровни – от повседневности до философии. Практически одновременно с кибернетикой и понятием информации появилась и теория информации (К.Э. Шеннон, США)
Понятие информации, кибернетика, теория информации, информатика возникли не по прихоти ученых, а исходя из военных потребностей развития связи, управления стрельбой, радиолокации и шифрования в 40-х гг. XX в., а также в связи с изобретением электронных компьютеров. Соответственно, основными функциями информации в тот период полагались управление и связь. Реализовать эти функции информация должна была через свои особые формы – команды и данные, передаваемые по каналам управления и связи. Полагалось, что большие количества материи и энергии управляются малыми количествами энергии, несущими информацию. Такую информацию принято называть функциональной информацией, а соответствующий подход к понятию информации – функциональным подходом.
Один из этапов перехода к информационному обществу – компьютеризация общества, где основное внимание уделяется развитию и внедрению компьютеров, обеспечивающих оперативное получение результатов переработки информации и ее накопление.
Основной инструмент компьютеризации – ЭВМ (или компьютер). Человечество проделало долгий путь, прежде чем достигло современного состояния средств вычислительной техники.
Компьютеры прошли долгий путь развития. Сегодня в некоторых книгах можно найти упоминание о том, что прапрадедушкой компьютера был абак. Это не совсем так, поскольку и абак, и всем известные счёты – скорее инструмент для «запоминания» чисел, чем для вычислений. Никаких, даже механических операций ни абак, ни счёты производить не могут. С тем же успехом можно загибать пальцы или рисовать палочки на бумаге.
Настоящим предком компьютера были всем известные механические часы. Это действительно инструмент, который может считать без участия человека. Правда, часы отсчитывают не числа, а время, но с точки зрения механики особой разницы нет. Уже в средние века были часы, не только способные «считать» минуты и часы, но и обладающие возможностью программирования, чтобы в нужный момент собрать прихожан на церковную службу перезвоном колоколов. Несколько позже свойство «программируемости» часового механизма было использовано в конструкции механических будильников.
Вращающиеся диски, зубчатые колеса для передачи движения через зацепления и рычаги для установки чисел вошли в конструкцию первых механических «калькуляторов». Самое первое механическое устройство для вычислений разработал Вильгельм Шикар в 1623 г. в университете г. Тюбингена(Германия).
Свою машину он так и назвал: «Суммирующие часы». К сожалению, в Тридцатилетней войне машина погибла, но её чертежи были найдены в середине ХХ века, а в 1960 году по ним была создана рабочая модель. Нередко создателем механической счётной машины называют Блеза Паскаля (1642 г.), но он первым не был. Просто его труды приобрели очень широкую известность, потому что он был первым, кто начал выпускать механические вычислительные машины серийно. Они значительно упростили работу королевских менял.
Первые электронные вычислительные машины появились после второй мировой войны, и они были так же далеки от современных компьютеров, как абак от механических часов. В те годы никто и не думал о том, что когда-нибудь компьютер сможет помочь человеку в интеллектуальной деятельности. Его назначение было сугубо утилитарным – расчёт артиллерийских таблиц. Параметры орудия, свойства заряда и масса снаряда, условия погоды, высота над уровнем моря, расстояние до цели и угол возвышения ствола – всё влияет на точность попадания. Для каждого типа орудий и снарядов необходимо были огромные объёмы вычислений. Первые электронные вычислительные машины позволили упростить труд тысяч вычислителей, годами без устали крутивших ручки арифмометров, а развитие ракетной техники в 50-е годы добавило ещё больше вычислительных задач первым компьютерам.
К началу шестидесятых годов в мире уже работали тысячи электронно-вычислительных машин, но компьютерами в современном понимании этого слова ещё не были. Эти машины работали по программам, заложенным программистами, и по окончании работы выдавали результат. Ни о каком оперативном управлении и, тем более, общении с такой машиной ещё не было и речи.
Главной задачей программистов было сделать программу безошибочной, чтобы она могла быть успешно завершена. Разумеется, это удавалось далеко не всегда, и у программистов было два «злейших врага» – сброс компьютера и зависание программ. Со сбросом всё понятно – это современный выход компьютера из строя в результате какой-то ошибки в программе. Зависание – это тоже выход из строя, но другого типа. Если в программе есть ошибка, бывает так, что компьютер выполняет одни и те же операции бесконечное число раз. Со стороны это выглядит, как будто компьютер ничего не делает («завис»), а на самом деле он напряжённо трудится, хотя, увы, абсолютно безрезультатно.
Основными этапами развития вычислительной техники являются:
I. Ручной – с 50-го тысячелетия до н.э.;
II. Механический – с середины XVII века;
III. Электромеханический – с девяностых годов XIX века;
IV. Электронный – с сороковых годов XX века.
I. Ручной период автоматизации вычислений начался на заре человеческой цивилизации. Он базировался на использовании пальцев рук и ног. Счет с помощью группировки и перекладывания предметов явился предшественником счета на абаке – наиболее развитом счетном приборе древности. Аналогом абака на Руси являются дошедшие до наших дней счеты. Использование абака предполагает выполнение вычислений по разрядам, т.е. наличие некоторой позиционной системы счисления.
В начале XVII века шотландский математик Дж. Непер ввел логарифмы, что оказало революционное влияние на счет. Изобретенная им логарифмическая линейка успешно использовалась еще пятнадцать лет назад, более 360 лет прослужив инженерам. Она, несомненно, является венцом вычислительных инструментов ручного периода автоматизации.
II. Развитие механики в XVII веке стало предпосылкой создания вычислительных устройств и приборов, использующих механический способ вычислений. Вот наиболее значимые результаты, достигнутые на этом пути.
1623 г. – немецкий ученый В. Шиккард описывает и реализует в единственном экземпляре механическую счетную машину, предназначенную для выполнения четырех арифметических операций над шестиразрядными числами.
1642 г. – Б. Паскаль построил восьмиразрядную действующую модель счетной суммирующей машины. Впоследствии была создана серия из 50 таких машин, одна из которых являлась десятиразрядной. Так формировалось мнение о возможности автоматизации умственного труда.
1673 г. – немецкий математик Лейбниц создает первый арифмометр, позволяющий выполнять все четыре арифметических операции.
1881 г. – организация серийного производства арифмометров.
Арифмометры использовались для практических вычислений вплоть до шестидесятых годов XX века.
Английский математик Чарльз Бэббидж (Charles Babbage, 1792–1871) выдвинул идею создания программно-управляемой счетной машины, имеющей арифметическое устройство, устройство управления, ввода и печати. Первая спроектированная Бэббиджем машина, разностная машина, работала на паровом двигателе. Она заполняла таблицы логарифмов методом постоянной дифференциации и заносила результаты на металлическую пластину. Работающая модель, которую он создал в 1822 году, была шестиразрядным калькулятором, способным производить вычисления и печатать цифровые таблицы. Второй проект Бэббиджа – аналитическая машина, использующая принцип программного управления и предназначавшаяся для вычисления любого алгоритма. Проект не был реализован, но получил широкую известность и высокую оценку ученых.
Аналитическая машина состояла из следующих четырех основных частей: блок хранения исходных, промежуточных и результирующих данных (склад – память); блок обработки данных (мельница – арифметическое устройство); блок управления последовательностью вычислений (устройство управления); блок ввода исходных данных и печати результатов (устройства ввода / вывода).
Одновременно с английским ученым работала леди Ада Лавлейс (Ada Byron, Countess of Lovelace, 1815–1852). Она разработала первые программы для машины, заложила многие идеи и ввела ряд понятий и терминов, сохранившихся до настоящего времени.