Истоки и исторические предпосылки появления информатики

 

Человечество со дня своего выделения из животного мира значительную часть своего времени и внимания уделяло информационным процессам. Рассмотрим исторические этапы развития технологий обработки информации на естественном и математическом языках (рис. 1.4).

На первых этапах носителем данных была память, и информация от одного человека к другому передавалась устно (на естественном языке). Этот способ передачи информации был ненадежен и подвержен большим искажениям, ввиду естественного свойства памяти утрачивать редко используемые данные.

По мере развития цивилизации, объемы информации, которые необходимо было накапливать и передавать, росли, и человеческой памяти стало не хватать - появилась письменность. Это великое изобретение было сделано шумерами около 6 тыс. лет назад. Оно позволило наряду с простыми записями счетов, векселей, рецептов записывать наблюдения за звездным небом, за погодой, за природой. Изменился смысл информационных сообщений. Появилась возможность обобщать, сопоставлять, переосмысливать ранее сохраненные сведения. Это же в свою очередь дало толчок развитию истории, литературы, точным наукам и в конечном итоге изменило общественную жизнь. Изобретение письменности характеризует первую информационную революцию.

 

 

Рис. 1.4. Этапы развития технологий обработки информации на естественном и математическом языках

 

3000 лет до н.э. в Древнем Вавилоне были изобретены первые счеты - абак (лат. abacus - доска - счетная доска, применявшаяся для арифметических вычислений приблизительно с IV века до н. э. в Древней Греции, Древнем Риме). Доска абака была разделена линиями на полосы, счет осуществлялся с помощью размещенных на полосах камней или других подобных предметов (рис. 1.5).

Дальнейшее накопление человечеством информации привело к увеличению числа людей, пользовавшихся ею, но письменные труды одного человека могли быть достоянием небольшого окружения. Возникшее противоречие было разрешено созданием печатного станка. Эта веха в истории цивилизации характеризуется как вторая информационная революция (началась в XVI в.). Доступ к информации перестал быть делом отдельных лиц, появилась возможность многократно увеличить объем обмена информацией, что привело к большим изменениям в науке, культуре и общественной жизни.

Шотландец Джон Непер (рис. 1.6) в 1614-м г. опубликовал «Описание удивительных таблиц логарифмов». Он обнаружил, что сумма логарифма чисел а и b равна логарифму произведения этих чисел. Поэтому действие умножения сводилось к простой операции сложения. Также им разработан инструмент перемножения чисел - «костяшки Непера». Он состоял из набора сегментированных стерженьков, которые можно было располагать таким образом, что, складывая числа в прилегающих друг к другу по горизонтали сегментах, получали результат их умножения. «Костяшки Непера» вскоре были вытеснены другими вычислительными устройствами (в основном механического типа). Таблицы Непера, расчет которых требовал очень много времени, были позже «встроены» в удобное устройство, ускоряющее процесс вычисления, - логарифмическую линейку (Р. Биссакар, конец 1620 г.).

Считалось, что первую механическую счетную машину изобрел великий французский математик и физик Б. Паскаль в 1642 г. Однако в 1957 г. Ф. Гаммер (ФРГ, директор Кеплеровского научного центра) обнаружил доказательства создания механической вычислительной машины приблизительно за два десятилетия до изобретения Паскаля Вильгельмом Шиккардом (рис. 1.7). Он назвал ее «часы для счета» (рис. 1.8). Машина предназначалась для выполнения четырех арифметических действий и состояла из частей: суммирующее устройство; множительное устройство; механизм для промежуточных результатов. Суммирующее устройство состояло из зубчатых передач и представляло простейшую форму арифмометра. Предложенная схема механического счета считается классической. Однако эту простую и эффективную схему пришлось изобретать заново, так как сведения о машине Шиккарда не стали всеобщим достоянием.

В 1642 г., когда Паскалю было 19 лет (рис. 1.9), была изготовлена первая действующая модель суммирующей машины. Через несколько лет Блэз Паскаль создал механическую суммирующую машину («паскалина»), которая позволяла складывать числа в десятичной системе счисления (рис. 1.10). В этой машине цифры шестизначного числа задавались путем соответствующих поворотов дисков (колесиков) с цифровыми делениями, результат операции можно было прочитать в шести окошках - по одному на каждую цифру. Диск единиц был связан с диском десятков, диск десятков - с диском сотен и т.д. Другие операции выполнялись с помощью довольно неудобной процедуры повторных сложений, и в этом заключался основной недостаток «паскалины». Всего приблизительно за десятилетие он построил более 50 различных вариантов машины. Изобретенный Паскалем принцип связанных колес явился основой, на которой строилось большинство вычислительных устройств на протяжении следующих трех столетий.

В 1673 г. Готфрид Вильгельм Лейбниц (рис. 1.11) завершил создание механического калькулятора. Развив идеи Паскаля, Лейбниц использовал операцию сдвига для поразрядного умножения чисел. Сложение производилось на нем по существу так же, как и на «паскалине», однако Лейбниц включил в конструкцию движущуюся часть (прообраз подвижной каретки будущих настольных калькуляторов) и ручку, с помощью которой можно было крутить ступенчатое колесо или - в последующих вариантах машины - цилиндры, расположенные внутри аппарата.

Дальнейшее развитие вычислительных устройств связано с появлением перфорационных карт и их применением. Появление же перфорационных карт связано с ткацким производством. В 1804 г. инженер Жозеф-Мари Жаккар (рис. 1.12) построил полностью автоматизированный станок (станок Жаккара), способный воспроизводить сложнейшие узоры. Работа станка программировалась с помощью колоды перфокарт, каждая из которых управляла одним ходом челнока. Переход к новому рисунку происходил заменой колоды перфокарт.

В 1822 г. Чарльзом Бэббиджем (рис. 1.13) была построена разностная машина (пробная модель), способная рассчитывать и печатать большие математические таблицы (рис. 1.14). Это было очень сложное, большое устройство и предназначалось для автоматического вычисления логарифмов. Работа модели основывалась на принципе, известном в математике как «метод конечных разностей»: при вычислении многочленов используется только операция сложения и не выполняется умножение и деление, которые значительно труднее поддаются автоматизации. С целью автоматизации вычисления конечных разностей он начал проектировать машину, которая так и называлась - разностная. Эта машина должна была уметь вычислять значения полиномов до шестой степени с точностью до 18-го знака.

В последующем он пришел к идее создания более мощной - аналитической машины. Она не просто должна была решать математические задачи определенного типа, а выполнять разнообразные вычислительные операции в соответствии с инструкциями, задаваемыми оператором. По замыслу это не что иное, как первый универсальный программируемый компьютер. Аналитическая машина в своем составе должна была иметь такие компоненты, как «мельница» (арифметическое устройство по современной терминологии) и «склад» (память). Инструкции (команды) вводились в аналитическую машину с помощью перфокарт (использовалась идея программного управления Жаккара с помощью перфокарт).

В дальнейшем принцип использования перфокарт нашел воплощение в статистическом табуляторе, построенном американцем Германом Холлеритом (для ускорения обработки результатов переписи населения в США в 1890 г.)

Графиня Огаста Ада Лавлейс (рис. 1.15), дочь поэта Байрона, фактически была первой программисткой (в ее честь был назван язык программирования Ада). Она совместно с Ч. Бэббиджем работала над созданием программ для его счетных машин. Ее работы в этой области были опубликованы в 1843 г. Однако в то время считалось неприличным для женщины издавать свои сочинения под полным именем, и Лавлейс поставила на титуле только свои инициалы. В материалах Бэббиджа и комментариях Лавлейс намечены такие понятия, как «подпрограмма» и «библиотека подпрограмм», «модификация команд» и «индексный регистр», которые стали употребляться только в 50-х гг. XX в.

После Бэббиджа значительный вклад в технику автоматизации обработки информации внес американский изобретатель Г. Холлерит (рис. 1.16). Он впервые (1890 г.) построил ручной перфоратор, который использовался для нанесения цифровых данных на перфокарты, и ввел механическую сортировку для раскладки этих перфокарт в зависимости от места пробивок.

Третья информационная революция связывается с открытием электричества и появлением (в конце XIX в.) на его основе новых средств коммуникации - телеграфа, телефона, радио. Возможности накопления информации для тех времен стали поистине безграничными, а скорость обмена очень высокой.

Одна из первых попыток создать средство связи с использованием электричества относится ко второй половине XVIII века, когда Лесаж в 1774 году построил в Женеве электростатический телеграф. В 1798 году испанский изобретатель Франциско де Сальва создал собственную конструкцию электростатического телеграфа. Позднее, в 1809 году немецкий ученый Самуил Томас Земмеринг построил и испытал электрохимический телеграф. Первый электромагнитный телеграф создал российский ученый Шиллинг Павел Львович в 1832 году.

Аппарат Морзе в ряду различных систем телеграфов наиболее известный и до последнего времени был самый распространенный. Хотя прибор этот задуман Самуэлем Морзе и первые удачные результаты с ним получены уже в 1837 г., но только в 1844 г. он был усовершенствован
(А. Вайлем) настолько, что мог быть применен к делу.

В 1876 г. американцем Александром Беллом был запатентован первый телефон, который назывался «говорящий телеграф». Трубка Белла служила по очереди и для передачи, и для приема человеческой речи. B телефоне Белла не было звонка. Вызов абонента производился через трубку при помощи свистка. Дальность действия этой линии не превышала 500 метров.

Первые практические устройства для передачи телеграфных сигналов были созданы русским физиком и электротехником
А.С. Поповым, который считается в России изобретателем радио.
25 апреля (7 мая по новому стилю) 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге он продемонстрировал аппарат для приема электромагнитных волн. Прибор Попова имел кроме когерера Бранли-Лоджа электрический звонок с молоточком, который встряхивал трубку. Это давало возможность принимать радиосигналы, несущие информацию, - азбуку Морзе. По сути, с приемника Попова началась эра создания средств радиотехники, пригодных для практических целей.

На Западе изобретателем радио часто называют итальянского инженера Г. Маркони, который сумел получить первый патент на радио и провел первые опыты беспроводного телеграфирования в 1896 г. в Лондоне.

К началу 40-х гг. XX века обе линии развития информационной технологии (рис. 1.4) сливаются, появляется компьютер - устройство, позволяющее хранить и обрабатывать информацию как на естественном, так и на математическом языке. Бурно развивавшаяся наука и промышленность привели к росту информационных ресурсов в геометрической прогрессии, что породило проблемы доступа к большим объемам информации.

Наше время отмечается как четвертая информационная революция. Пользователями информации стали миллионы людей. Появились дешевые компьютеры, доступные миллионам пользователей. Компьютеры стали мультимедийными, т.е. они обрабатывают различные виды информации: звуковую, графическую, видео и др. Это, в свою очередь, дало толчок к широчайшему использованию компьютеров в различных областях науки, техники, производства, быта. Средства связи получили повсеместное распространение, а компьютеры для совместного участия в информационном процессе соединяются в компьютерные сети. Появилась всемирная компьютерная сеть Интернет, услугами которой пользуется значительная часть населения планеты, оперативно получая и обмениваясь данными, т.е. формируется единое мировое информационное пространство.

В настоящее время круг людей, занимающихся обработкой информации, вырос до небывалых размеров, а скорость обмена стала просто фантастической, компьютеры применяются практически во всех областях жизни людей.

На наших глазах появляется информационное общество, где акцент внимания и значимости смещается с традиционных видов ресурсов (материальные, финансовые, энергетические и пр.) на информационный ресурс, который, хотя всегда существовал, но не рассматривался ни как экономическая, ни как иная категория.

 

Информационное общество

 

В современных философских и социологических теориях разработан ряд типологий (классификаций) цивилизаций. Одной из наиболее известных и аргументированных является типология американского философа Алвина Тоффлера, на которую мы и будем опираться в дальнейшем изложении. Он считает, что в своем развитии человечество проходит три основные стадии (три вида общества): аграрно-ремесленную, индустриальную и информационную. Название их определяет ведущую технологическую сферу, а переход от одной стадии к другой называется социотехнологической революцией. Подробное рассмотрение особенностей каждой из цивилизаций выходит за рамки нашего курса, поэтому отметим наиболее существенные моменты.

Как же оценить, насколько развитие того или иного общества соответствует определенному типу цивилизации? В качестве такого критерия можно использовать структуру занятости населения. В табл. 1.1 приведены сведения о занятости населения, полученные на основании усреднения данных различных исследований.

Считается, что общество переходит к стадии информационного, когда более 50% трудоспособного населения занято в сфере информации и услуг.

Таблица 1.1

Структура занятости населения для различных типов цивилизаций, в %

Общество	Сельское хозяйство	Промышленность	Информация, сфера услуг
Аграрно-ремесленное
Индустриальное
Информационное

 

Сформулируем признаки современного информационного общества на основании мнений философов, социологов, специалистов в области информационной технологии. Общество является информационным, если:

1) любой человек, группа лиц или организация в любой точке страны и в любое время могут получить за соответствующую плату или бесплатно на основе автоматизированного доступа и систем связи любые информацию и знания, необходимые для их жизнедеятельности и решения личных и социально значимых задач;

2) в нем производится, функционирует и доступна любому человеку, группе или организации современная информационная технология, обеспечивающая выполнимость предыдущего пункта;

3) имеются развитые инфраструктуры, обеспечивающие создание национальных информационных ресурсов в объеме, необходимом для поддержания постоянно ускоряющегося научно-технического и социально-исторического прогресса. Общество в состоянии производить всю нужную для жизнедеятельности информацию, прежде всего научную.

4) в нем происходит процесс ускоренной информатизации всех сфер и отраслей производства и управления;

5) радикально изменяются социальные структуры, в результате расширяется сфера информационной деятельности и услуг. В этой сфере трудится не менее 50% работающего населения; число занятых в традиционных отраслях постоянно снижается при неуклонном повышении производительности труда и качества продукции. Информационные технологи, основанные на современных телекоммуникационных системах, создают принципиально новые модели жизни и деятельности людей, становятся решающим фактором экономии времени, возрастания доли полезного творческого труда.

В настоящий момент ближе всех стран к информационному обществу находятся США, Япония, Англия, страны Западной Европы.

В информационном обществе протекает процесс информатизации. Определим это понятие.

Информатизация - это организационный социально-экономический научно-технический процесс создания оптимальных условий для удовлетворения информационных потребностей и реализации прав граждан, органов государственной власти, органов местного самоуправления, организаций, общественных объединений на основе использования информационных ресурсов.

Целью информатизации является создание информационного общества, когда большинство людей занято производством, хранением, переработкой, реализацией и использованием информации. Для решения этой задачи возникают новые направления в научной и практической деятельности членов общества. Так возникли информатика и информационные технологии.

Понятие «информатизация» тесным образом связано с понятиями: «информационные процессы», «информационная система», «информационные ресурсы».

Информационные процессы - последовательность действий, выполняемых с информацией. К ним относят процессы сбора, обработки, накопления, хранения, поиска и распространения информации.

Информационная система (ИС) - организационно упорядоченная совокупность документов (массивов документов) и информационных технологий, в том числе с использованием средств компьютерной техники и связи, реализующих информационные процессы.

Информационные ресурсы - отдельные документы и отдельные массивы документов, документы и массивы документов в информационных системах (библиотеках, архивах, фондах, банках данных, других информационных системах).

Основные понятия информатики

 

Одним из центральных понятий информатики является «информация». Этот термин происходит от латинского INFORMATIO - осведомление, сообщение о чем-либо, о каком-либо факте, событии, разъяснение чего-либо. Данное понятие появилось около 2 500 лет назад, а затем проникло из латинского в другие языки.

Несмотря на привычность этого термина, строгого и общепринятого определения не существует. Некоторое представление о разнообразии видов информации может дать следующее определение: «Информация - это общенаучное понятие, включающее обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом, обмен сигналами в животном и растительном мире; передачу признаков от клетки к клетке, от организма к организму». Современное понятие информации законодательно установлено Федеральным законом от 27 июля 2006 г.
№ 149 «Об информации, информационных технологиях и о защите информации»: информация - сведения (сообщения, данные) независимо от формы их представления.

В рамках рассматриваемой нами науки «информация» является первичным и, следовательно, неопределимым понятием, подобно понятиям «точка» в математике, «тело» в механике, «поле» в физике. Несмотря на то, что этому понятию невозможно дать строгое определение, имеется возможность описать его через проявляемые свойства, и мы попытаемся это сделать.

Как известно, в материальном мире все физические объекты, окружающие нас, являются либо телами, либо полями. Физические объекты, взаимодействуя друг с другом, порождают сигналы различных типов.

В общем случае сигнал (франц. signal, нем. Signal, от лат. signum - знак) - физический процесс (явление), несущий сообщение (информацию) о каком-либо событии, состоянии объекта наблюдения либо передающий команды управления, оповещения и т.д. Сообщение - наименьший элемент языка, имеющий идею или смысл, пригодный для общения.

Другими словами любой сигнал - это изменяющийся во времени физический процесс.

По своей природе сигнал может быть:

· механическим (например, деформация, изменение давления);

· тепловым (изменение температуры);

· световым (вспышка света, зрительный образ);

· электрическим (изменение силы тока, напряжения);

· электромагнитным (радиоволны);

· звуковым (акустические колебания) и др.

Выделяют аналоговые, дискретные, квантованные и цифровые сигналы.

Большинство сигналов имеют аналоговую природу, то есть изменяются непрерывно во времени и могут принимать любые значения на некотором интервале. Аналоговые сигналы (АС) описываются некоторой математической функцией времени (рис. 1.17).

Пример АС - гармонический сигнал - s(t) = A·cos(ω·t + φ).

 

 

Рис. 1.17. Аналоговый сигнал

 

Аналоговые сигналы используются в телефонии, радиовещании, телевидении. Ввести такой сигнал в компьютер и обработать его невозможно, так как на любом интервале времени он имеет бесконечное множество значений, а для точного (без погрешности) представления его значения требуются числа бесконечной разрядности. Поэтому необходимо преобразовать аналоговый сигнал так, чтобы можно было представить его последовательностью чисел заданной разрядности.

Дискретизация аналогового сигнала состоит в том, что сигнал представляется в виде последовательности значений, взятых в дискретные моменты времени (рис. 1.18). Эти значения называются отсчетами. Δt называется интервалом дискретизации.

 

Рис. 1.18. Дискретный сигнал

 

При квантовании вся область значений сигнала разбивается на уровни, количество которых должно быть представлено в числах заданной разрядности (рис. 1.19). Расстояния между этими уровнями называется шагом квантования Δ. Число этих уровней равно N (от 0 до N-1). Каждому уровню присваивается некоторое число. Отсчеты сигнала сравниваются с уровнями квантования и в качестве сигнала выбирается число, соответствующее некоторому уровню квантования. Каждый уровень квантования кодируется двоичным числом с n разрядами. Число уровней квантования N и число разрядов n двоичный чисел, кодирующих эти уровни, связаны соотношением n ≥ log₂(N).

Рис. 1.19. Квантованный сигнал

 

Для того, чтобы представить аналоговый сигнал последовательностью чисел конечной разрядности, его следует сначала превратить в дискретный сигнал, а затем подвергнуть квантованию. В результате сигнал будет представлен таким образом, что на каждом заданном промежутке времени известно приближенное (квантованное) значение сигнала, которое можно записать целым числом. Если записать эти целые числа в двоичной системе, получится последовательность нулей и единиц, которая и будет являться цифровым сигналом.

В свою очередь, сигналы могут порождать в физических телах изменения свойств. Это явление называется регистрацией сигналов. Сигналы, зарегистрированные на материальном носителе, называются данными. Иными словами д анными называют факты, сведения, представленные в формализованном виде (закодированные), занесенные на те или иные носители и допускающие обработку с помощью специальных технических средств (в первую очередь ЭВМ).

Данные несут информацию о событии, но не являются самой информацией, так как одни и те же данные могут восприниматься (отображаться или еще говорят интерпретироваться) в сознании разных людей совершенно по-разному. Например, текст, написанный на русском языке (т.е. данные), даст различную информацию человеку, знающему алфавит и язык, и человеку, не знающему их.

Чтобы получить информацию, имея данные, необходимо к ним применить методы, которые преобразуют данные в понятия, воспринимаемые человеческим сознанием. Методы, в свою очередь, тоже различны. Например, человек, знающий русский язык, применяет адекватный метод, читая русский текст. Соответственно, человек, не знающий русского языка и алфавита, применяет неадекватный метод, пытаясь понять русский текст. Таком образом, можно считать, что информация - это продукт взаимодействия данных и адекватных методов.

Из вышесказанного следует, что информация не является статическим объектом, она появляется и существует в момент слияния методов и данных, все прочее время она находится в форме данных.

Информация не является ни материей, ни энергией. В отличие от них, она может возникать и исчезать.