Текст книги "Дороги, дураки и компьютеры. Есть ли будущее у России"

ЭВМ, конечно, дура, но очень быстродействующая!

Наблюдение автора

Теперь пора разобраться с ЭВМ или, как сегодня принято называть, компьютером. Большинство считает, что это очень сложно. Но открывать истины – удел меньшинства. На самом деле, компьютер – это очень просто. Если читая материал данного занятия, вы поймете все написанные слова, значит, цель урока будет достигнута. И не беда, что вы не всегда будете понимать смысл написанного и мало чего запомните. Это совсем не важно. Ни в личной жизни, ни в работе большая часть этого урока вам, скорее всего, не понадобится. Главное, чтобы вы поняли, что компьютер – это очень просто!

Вся мощь ЭВМ опирается на очень примитивные логические операции:

0+0=0 (ложь+ложь=ложь),

0+1=1 (ложь+истина=истина),

1+0=1 (истина+ложь=истина),

1+1=1 (истина + истина = истина)

сдвиг разрядов влево или вправо, замена единиц на нули, а нулей на единицы.

Ничего другого ЭВМ делать не умеет. И все эти операции реализуется примитивными электросхемами типа «триггер», который изучается в школе. Эти примитивы объединены в несколько простейших схем, основными из которых являются: ячейка памяти, регистр, сумматор, дешифратор и счетчик. Именно из них состоит процессор, который, по существу, и является компьютером. Все остальное – это его внешние устройства. Следовательно, для понимания принципа действия компьютера нужны знания школьной физики (которые у нас есть), а также желание и время (которых нам всегда не хватает).

В компьютере главное не схемы, а логика взаимодействия схем и программ

Оставим электрические схемы профессионалам. Хотя и среди них найти сегодня знатока компьютерных схем – большая проблема. Большинство нынешних специалистов знают только параметры узлов ЭВМ и способ их соединения между собой. Дело в том, что все электрические схемы современных ЭВМ с миллионами элементов создаются в виде транзисторных интегральных схем. И для дела надо знать совсем не электрические схемы, а логику их взаимодействия. Вот этим мы и займемся на данном уроке.

Память ЭВМ

Это множество пронумерованных ячеек для хранения информации. Номер ячейки выполняет функцию ее адреса. Ячейки могут быть различной разрядности, с медленным или быстрым доступом и их очень много – миллионы, миллиарды, триллионы и более. Но все это не главное. Сутью является то, что в ячейках памяти хранятся как обрабатываемые данные, так и программы их обработки. И только программа точно знает, где и что хранится. А это уже делает компьютер устройством похожим на живой мозг.

Операнды, операции, команды и другие технические подробности

В памяти ЭВМ хранятся только нули и единицы. И обрабатываемые данные и программы, определяющие операции, которые надо производить над содержимым каждой ячейки памяти – все это хранится в памяти ЭВМ в виде двоичных кодов. А для процессора все эти данные (числа, тексты, команды) – это всего лишь операнды, над которыми надо совершить определенные операции. Операндами являются и коды операций, которые являются обязательной составной частью каждой команды. Программа состоит из множества команд, а каждая команда – из двух частей:

– один или несколько адресов операндов, т. е. физических адресов ячеек памяти;

– код операции, которую надо выполнить над указанными операндами.

Структура двухадресной команды

Результат выполнения данной операции останется в сумматоре и следующая команда должна указать, что с ним делать. Например, отправить его в определенную ячейку памяти.

Тактовая частота

– характеристика скорости выполнения операций процессора. Каждая команда в процессоре выполняется в несколько тактов – например, выбрать операнд из памяти на регистр, произвести действие над операндом, результат записать в память – три такта).

Основные устройства и схема ЭВМ

Оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) или основная память (ОП);

Процессор, состоящий из устройства управления (УУ) и арифметико-логического устройства (АЛУ);

Устройства ввода-вывода (УВВ), например, клавиатура, монитор,

принтер, дисковод.

Устройство управления (УУ), которое обрабатывает команды и через шину посылает управляющие сигналы всем остальным устройствам ЭВМ.

Арифметико-логическое устройство (АЛУ) выполняет заданные У У операции – сложить арифметически (1+1=10); сложить логически (1+1=1); сдвинуть содержимое сумматора влево или вправо на определенное количество разрядов; заменить в сумматоре нули на единицы, а единицы на нули.

На следующем рисунке очень грубо представлена структурная схема ЭВМ.

Самое удивительное, что реальная схема ЭВМ проще нашего рисунка. Дело в том, что все устройства подключаются к общей шине, данные о каждом устройстве заносятся в память процессора и уже он в нужные моменты подключает это устройство и управляет его работой. Тем более что мелочами управлять не требуется, так как каждое устройство ЭВМ по существу само является небольшой специализированной ЭВМ.

Процессор

Характеризуется набором выполняемых команд, скоростью обработки, объемом адресуемой памяти, размером обрабатываемых слов и разрядностью шины. В одном компьютере может быть несколько процессоров. В зависимости от выполняемых функций, процессоры подразделяются на несколько типов:

Центральный процессор – главный компонент компьютера;

Матричный процессор – имеет архитектуру, рассчитанную на обработку матриц;

Постпроцессор – реализует отдельные функции, например, управление базой данных;

Векторный процессор – обеспечивает параллельное выполнение операции над массивами данных, матрицами, изображениями и векторами.

Процессор изображений – частный случай векторного процессора, предназначен для обработки сигналов, поступающих от датчиков-формирователей изображения.

Процессор ввода/вывода – специализируется на пересылке данных между частями компьютера, а также вводом и выводом данных.

Периферийный процессор – управляет внешними устройствами, работает с нестандартным набором команд, определяемых устройствами, которыми он управляет.

Прочие устройства

Материнская плата (mother board) – плата на которой устанавливаются основные элементы и узлы компьютера – процессор, основная память, кэш память, общая шина и слоты (щель – место подключения внешних устройств);

RAM (random access memory) – оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), оперативная память компьютера, где информация читается-пишется микропроцессором;

Кэш-память (cache memory, тайный склад) – сверхоперативная память с малым временем доступа для увеличения скорости обмена между процессором и основной памятью или между процессором и внешним устройством;

Порт (port) – точка доступа к объекту. Физические порты являются местами подключения физических объектов, логические создаются на границах программ, уровней, прикладных процессов, функциональных блоков. Пользователи или программы могут посылать данные в порты и получать их из портов.

Звуковая плата (Sound blaster) – преобразователь цифрового кода в аналоговый звуковой сигнал и наоборот

Сетевая плата – плата, позволяющая подключить компьютер к компьютерной сети.

Как все это работает

Зафиксируем некоторые моменты, которые помогут понять логику работы ЭВМ:

• процессор работает с заданной тактовой частотой;

• все устройства ЭВМ взаимодействуют между собой через общую шину;

• для выполнения операции может понадобиться несколько тактов процессора.

Примерная потактовая схема работы ЭВМ (цикл исполнения одной операции):

1. Формирование в УУ очередного адреса команды

а) вычисленный счетчиком – А=А+1, если исполняется алгоритм «Следование»,

б) заданный предыдущей командой при реализации алгоритма «Развилка»;

2. Выборка команды из заданной ячейки памяти;

3. Разделение команды на адрес и код операции; адрес направляется в ОЗУ для выборки операнда из известной ячейки памяти, а код операции – в дешифратор для выработки управляющего сигнала и настройки АЛУ на выполнение заданной операции;

4. Поступление операнда в регистр АЛУ;

5. Исполнение АЛУ заданной операции;

6. Переход к пункту 1.

Вас напугало множество новых слов?

Это проблема любого иностранного языка. Ведь организация любого языка в принципе одинакова – слова, знаки препинания и правила построения предложений. Все просто, но для того чтобы сносно разговаривать на иностранном языке, надо запомнить хотя бы 800 слов. С компьютером аналогичная картина, только намного проще. Правил не больше, чем в любом иностранном языке, а новых слов – не более сотни! И решение у этой проблемы то же самое – запомнить как можно больше слов. Понадобится разговаривать – выучите и правила, а иначе, зачем зря тратить свое время и деньги?

Я знаю, что ничего не знаю. Мысль произнесенная – ложь, записанная – дважды ложь. Факты – упрямая вещь.

Сократ

Большинство людей успокаивают себя – пусть они ничего не понимают в компьютерах, но что такое информация и как с ней работать, они точно знают. На самом деле – это глубочайшее заблуждение. Только работая с компьютером, начинаешь понимать, насколько сложным объектом является информация. Так и хочется написать ее с большой буквы – Информация.

В отличие от предыдущего занятия, где мы заявили, что «компьютер – это очень просто», в отношении информации такое сказать нельзя. Информация – это то, что наша память воспринимает как новые сведения и факты об окружающем мире. Но мир этот бесконечно сложный, поэтому информация по определению не может быть простым объектом. Значит, рассказать об информации на одном уроке не возможно. Поэтому мы поставим перед собой более реальную цель – на нескольких примерах проиллюстрировать сложность понятия информации и, как минимум, убедить читателей с уважением относиться к специалистам по информационным технологиям и системам.

Данные и информация

На практике эти слова обычно используются как слова синонимы. Однако, для пользы дела, нужно понимать отличие этих двух терминов. Термином «данные» обычно обозначают всю массу сведений и фактов, а термином «информация» – только новые сведения и факты. Значит, одни и те же данные одновременно могут быть информацией для части людей и совсем не быть ею для других. Поскольку целью системы обработки данных является получение информации, сделать информационную систему удовлетворяющую разных пользователей невозможно. Каждый пользователь всегда будет дополнительно обрабатывать результаты работы системы для получения «своей», нужной только ему информации.

Информационные ресурсы, технологии, процессы, системы

Любая информационная система представляет собой сложную информационно-вычислительную систему (ИВС). По всем признакам ИВС относится к классу больших систем, создание которых является особо сложной научно-технической проблемой. Основными признаками большой системы, являются множественность, разнотипность и взаимосвязанность её элементов. При этом все связи в большой системе – существенные.

Информация как экономическая категория

Информация нужна всем, поэтому понятие ценность информации ни у кого не вызывает сомнений и вопросов. Каждый может привести примеры, когда своевременная и достоверная информация обеспечивала 100 % успеха, а иногда сохраняла жизнь. Поэтому у информации, кроме пользователей, должны быть владельцы и собственники. Для получения информации необходимо затратить определенные материальные и трудовые ресурсы, значит, появляется стоимость информации и она становится объектом бухгалтерского учета. Но надо обладать большой фантазией, чтобы представить бухгалтерские операции по оформлению прихода, расхода и выведением остатка! Но такие операции, все таки существуют. Более того, информация прекрасный и очень выгодный объект приватизации. Особенно удобный для чиновников, так как никаких законов здесь пока к сожалению нет.

Но самой интересной экономической категорией является информация как товар. Прекрасный товар: сколько его не продавай, он не убывает. Только очень быстро стареет. Еще вчера вы были единственным обладателем информации, а сегодня она опубликована в газетах. В результате обладателями информации стали все и она потеряла ценность. Вполне возможно, у этой проблемы и нет решения, которое найдено для материальных ценностей. Ведь информация – это «и не энергия, и не материя, это информация» (Н. Винер)

Документы, папки, архивы, библиотеки

Именно эти структуры обычно имеют в виду, когда говорят об информации. Действительно, подавляющая часть информации оформляется в виде документов. А поскольку их очень много, приходится или однотипные, или относящиеся к одной проблеме документы складывать в папки, которые хранятся в архивах или библиотеках. Там же может храниться и особая информация в форме книг. Организация папок (дел, книг), архивов и библиотек – научные дисциплины, изучаемые в вузах, организация движения документов (документооборот) – еще одна большая наука! И работает в этих сферах огромная армия ученых и практиков: архивариусов, библиотекарей, специалистов по документообороту. А сегодня еще и армия специалистов по информационным технологиям!

Обычный документ как сложная информационная система

Именно обычный документ имеют в виду те, кто заявляют о своём знании – что такое информация и как с ней работать. Но это далеко не так. Основная проблема связана с внутренней логикой документа. Наибольшую сложность представляют определение иерархической структуры строк и столбцов. Вторая проблема – упаковка документа на носителе, так как и лист бумаги, и экран монитора имеют определенные параметры, а отсюда возникают проблемы количества символов в строке, абзацы и интервалы, размеры и типы шрифтов и многое другое. Специалисты считают, что структурно любой документ включает в себя 7 элементов – (1) заголовок (шапка, титульный лист) документа, (2) подножие документа, (3) заголовок (шапка) листа документа, (4) подножие листа, (5) заголовки разделов (групп строк), например с использованием таких слов как: «всего», «в том числе», «из них», «в том числе из них» и т. д. (6) подножия разделов (групп строк), как правило с использованием слова «итого», (7) оформление – графление, обрамление, фон и другое.

Классификаторы и кодификаторы

Необходимость классификаторов и кодификаторов диктуется потребностью упорядочения объектов описания. Люди, создающие классификационные системы, всегда пользовались огромным уважением (Линней, Менделеев). Появление информационно-вычислительных систем сделало классификаторы и кодификаторы бедствием. Те, кто открывал новое предприятие, знает, сколько кодов приходится написать, чтобы предприятие зарегистрировать и открыть счет в банке. И коды с каждым годом становятся все сложнее и длиннее. Всё это лишь малая часть проблем информации. Но, нам кажется, достаточная для того, чтобы начинать уважать тех, кто понимает, как всё это работает и знает, как сделать, чтобы оно работало с максимальной пользой для конкретного пользователя.

На 3-ом уроке мы объяснили, что компьютер – это очень просто, потом на 4-ом попытались объяснить, что информация – это очень сложно. Но, кажется, недостаточно убедительно. Поэтому 5-ое занятие посвятим базам и банкам данных. Именно там хранится основная масса накопленной человечеством информации.

Основные понятия и определения

База данных (БД) – это организованное множество данных. Что значит организованное? Если сложить много разных предметов в общую кучу, будет свалка, если разложить их по стеллажам и полочкам – склад. База данных – это склад. Но для того, чтобы эффективно работать с БД, нужна хорошая система управления базой данных (СУБД). Всё вместе (БД + СУБД) – это и есть банк данных. Для обычных пользователей, это одно и то же. Но работать с БД мы можем только в случае, если кто-то побеспокоился создать для неё СУБД. Для решения даже простой задачи требуется много разнородной информации, хранить которую в одной БД неудобно (разные продукты и промтовары тоже неудобно хранить на одном складе). Значит, нужна система баз данных (СБД), включающая в себя разнородные БД. По типу и форме информации БД могут быть библиографическими и фактографическими. Библиографические БД – это хранилища документов, книг и других публикаций (очень похожи на обычные библиотеки). Созданием таких БД занимаются, как правило, гуманитарные академические институты, большие библиотеки и информационные агентства. Основными пользователями являются научные работники и журналисты.

Фактографические БД

Эти БД похожи на склады, в которых каждый предмет лежит в отдельной ячейке. В фактографических БД можно достать даже отдельный показатель, например производство товарного зерна в царской России в 1913 году. Но для этого фактографические БД должны быть очень хорошо организованы.

А сделать это для информации значительно сложнее, чем для материальных предметов. Информации на несколько порядков больше, чем материальных предметов. Это и понятно. Каждый предмет описывается множеством показателей, а есть еще услуги, социум, культура, искусство, спорт и, наконец, явления и события.

Предприятия, организации, товары и услуги

Могут содержать закрытую и открытую информацию, в том числе балансы деятельности предприятий. Открытые БД типа «товары и услуги» содержат информацию для участников рынка: сведения о разработчиках и изготовителях продукции; эксплуатационно-технические, экономические, эргономические и другие характеристики изделий, отражающих их потребительские свойства; цены и условия поставок.

Социальная информация

Большинство социальных БД формируется в рамках систем местных органов власти:

– социальная среда – вакансии, нарушения общественного порядка, данные здравоохранения (заболевания, лекарственные средства, медицинские учреждения и т. д.);

– градостроительство – здания и сооружения, дороги, зеленые насаждения и т. п.;

– городское хозяйство – жилой фонд, инженерные сети, городской транспорт, предприятия, занятые обслуживанием коммунального хозяйства;

– культура и искусство – статистическая и справочная информация о деятельности театрально-зрелищных предприятий, музеев, парков, библиотек, репертуаре театров и о культурных связях с зарубежными странами.

– справочные БД для населения, предприятий, организаций и учреждений, в том числе расписания самолетов и поездов; биографические данные («Кто есть кто»); адреса и телефоны граждан и организаций; программы радио и телевидения; энциклопедии и справочники; описания новых видов потребительских товаров.

– население – демографические, паспортные, кадровые, социальные, медицинские и другие персональные данные об отдельных личностях, а также сводные данные о населении региона и его территориях (данные о личностях имеют ограниченный доступ, их содержание должно контролироваться населением, о чем также должны быть изданы законы).

Базы данных специального назначения

Лингвистические БД содержат данные о языковых единицах с целью обеспечения различных информационно-вычислительных систем, связанных с обработкой текста и речи. Такие БД могут приносить значительный экономический эффект в случае их интеграции с автоматизированными издательскими системами.

БД военного назначения, особенностью которых является наличие в них секретных сведений и необходимость надежной защиты информации и разграничения доступа.

Ресурсы (земля, вода, атмосфера, биоресурсы, гидрометеорология и экология; полезные ископаемые, вторичные ресурсы и отходы), технологии и еще много чего другого.

Стратегия и тактика создания и управления БД

Важнейшей задачей управления СБД является каталогизация. Обязательной каталогизации подлежат БД, создаваемые с использованием бюджетных средств. Каталогизация прочих БД осуществляется путем добровольного представления информации. В результате создается адресно-справочная служба СБД, с помощью которой пользователи могут узнать, где что лежит, как туда добраться, а заодно и другую полезную информацию, например кто отвечает за качество информации конкретной БД. В создании и обеспечении функционирования системы БД участвуют, как минимум, три типа участников:

– создатели (генераторы) БД осуществляют первичный сбор, обработку информации и создание первичных структур БД;

– обслуживающие организации обеспечивают организационно-техническую поддержку БД;

– посредники обеспечивают доступ пользователей к БД.

Индустрия и государственная политика в области БД за рубежом

Основными характеристиками индустрии и государственной политики в области баз данных в промышленно-развитых странах являются:

1. Наличие большого числа БД, полностью перекрывающих все виды человеческой деятельности и связанных с ними информационных потребностей. Можно считать, что в настоящее время процесс создания БД близок к завершению. В ближайшие годы можно ожидать появления мощных баз знаний и экспертных систем.

2. Развитие современных средств связи, используемых для передачи данных с высокой скоростью и надежностью, обеспечившее возможность доступа к базам данных практически из любой точки промышленно развитых стран. Использование открытых систем позволило объединить ресурсы различных автоматизированных систем независимо от их программного и технического обеспечения.

3. Интеграция информационных ресурсов и служб. Библиотеки, объединенные в информационные сети, стали центрами доступа к различным БД, включая дистанционный поиск в удаленных системах и использование электронных изданий.

4. Создание простейших терминальных устройств позволило сделать электронную информацию доступной широким слоям населения, например, с помощью систем видеотекста или через информационные киоски.

5. Появление и широкое распространение ПК предоставило в распоряжение пользователей мощные средства для подготовки, передачи и приема информации и способствовало росту компьютерной и информационной грамотности населения.

6. Разработка новых средств хранения информации и ЭВМ, а также программного обеспечения. В результате из нескольких взаимосвязанных БД возникли современные информационные универсамы. Создание служб входа с использованием одного упрощенного языка команд обеспечило простой доступ к БД и открыло новые возможности дальнейшего объединения информационных ресурсов в один глобальный источник информации.

7. Правительства, как правило, стремятся поощрять деятельность по созданию баз данных в тех областях, за которые они несут наибольшую ответственность перед общественностью (здравоохранение, охрана окружающей среды, развитие фундаментальных исследований, образование и др.).

Домашнее задание: а почему у нас опять «как всегда»?

Общедоступных БД в России практически нет. Почему? Сначала нужно было иметь много компьютеров. Этот процесс пошел. Потом должна была сформироваться потребность у широкого круга пользователей (а не только у властных структур!). И этот процесс пошел. Кто-то из великих сказал: «Отдав свои знания другому, ты стал богаче». Собственником и владельцем основной информации во всем мире являются государство и местные органы власти. Передавая обществу накапливаемую ими информацию, ни держава, ни муниципалитеты ничего не теряют. А общество, получив нужную ему информацию, становится богаче. Значит, и держава тоже становится богаче. Так почему же в России не идет процесс создания общедоступных баз данных? Варианты ответов:

1. Обычная российская некомпетентность и неорганизованность;

2. Идет передел собственности, этот процесс чиновникам интереснее;

3. Кому-то невыгодно, так как прозрачная экономика – основной противовес теневой экономики и коррупции.