Внешняя память компьютера. 2

 

     Информатика.

     1.1.История  развития. 
 

     1).Количество информации      
     Определить  понятие “количество информации”  довольно сложно. В решении этой проблемы существуют два основных подхода. Исторически они возникли почти  одновременно. В конце 40-х годов XX века один из основоположников кибернетики  американский математик Клод Шеннон развил вероятностный подход к измерению  количества информации, а работы по созданию ЭВМ привели к “объемному”  подходу.

     Вероятностный подход

     Рассмотрим  в качестве примера опыт, связанный  с бросанием правильной игральной .кости, имеющей N граней (наиболее распространенным является случай шестигранной кости: N = 6). Результаты данного опыта могут быть следующие: выпадение грани с одним из следующих знаков: 1,2,... N.

     Введем  в рассмотрение численную величину, измеряющую неопределенность -энтропию (обозначим ее Н). Величины N и Н связаны между собой некоторой функциональной зависимостью:

     H = f (N), (1.1)

     а сама функция f является возрастающей, неотрицательной и определенной (в рассматриваемом нами примере) для N = 1, 2,... 6.

     Рассмотрим  процедуру бросания кости более  подробно:

     1) готовимся бросить кость; исход  опыта неизвестен, т.е. имеется  некоторая неопределенность; обозначим  ее H1;

     2) кость брошена; информация об  исходе данного опыта получена; обозначим количество этой информации  через I;

     3) обозначим неопределенность данного  опыта после его осуществления  через H2. За количество информации, которое получено в ходе осуществления опыта, примем разность неопределенностей “до” и “после” опыта:

     I = H1 – H2 (1.2)

     Очевидно, что в случае, когда получен  конкретный результат, имевшаяся неопределенность снята (Н2 = 0), и, таким образом, количество полученной информации совпадает с первоначальной энтропией. Иначе говоря, неопределенность, заключенная в опыте, совпадает с информацией об исходе этого опыта. Заметим, что значение Н2 могло быть и не равным нулю, например, в случае, когда в ходе опыта следующей выпала грань со значением, большим “З”.

     Следующим важным моментом является определение  вида функции f в формуле (1.1). Если варьировать число граней N и число бросаний кости (обозначим эту величину черезМ), общее число исходов (векторов длины М, состоящих из знаков 1,2,.... N) будет равноN в степени М:

     X=NM. (1.3)

     Так, в случае двух бросаний кости с  шестью гранями имеем: Х=62=36. Фактически каждый исход Х есть некоторая пара (X1, X2), где X1 и X2 – соответственно исходы первого и второго бросаний (общее число таких пар – X).

     Ситуацию  с бросанием М раз кости можно рассматривать как некую сложную систему, состоящую из независимых друг от друга подсистем – “однократных бросаний кости”. Энтропия такой системы в М раз больше, чем энтропия одной системы (так называемый “принцип аддитивности энтропии”):

     f(6M) = M ∙ f(6)

     Данную  формулу можно распространить и  на случай любого N:

     F(NM) = M ∙ f(N) (1.4)

     Прологарифмируем  левую и правую части формулы (1.3): lnX=M ∙ lnN, М=lnX/1nM. Подставляем полученное для M значение в формулу (1.4):

     

     Обозначив через К положительную константу , получим: f(X) =К ∙ lnХ, или, с учетом (1.1), H=K ∙ ln N. Обычно принимают К = 1 / ln 2. Таким образом

     H = log2 N. (1.5)

     Это – формула Хартли.

     Важным  при введение какой-либо величины является вопрос о том, что принимать за единицу ее измерения. Очевидно, Н будет равно единице при N=2. Иначе говоря, в качестве единицы принимается количество информации, связанное с проведением опыта, состоящего в получении одного из двух равновероятных исходов (примером такого опыта может служить бросание монеты при котором возможны два исхода: “орел”, “решка”). Такая единица количества информации называется “бит”.

     Все N исходов рассмотренного выше опыта являются равновероятными и поэтому можно считать, что на “долю” каждого исхода приходится одна N-я часть общей неопределенности опыта: (log2 N)1N. При этом вероятность i-го исхода Рi равняется, очевидно, 1/N.

     Таким образом,

     

(1.6)

     Та  же формула (1.6) принимается за меру энтропии в случае, когда вероятности  различных исходов опыта неравновероятны (т.е. Рi могут быть различны). Формула (1.6) называется формулой Шеннона.

     В качестве примера определим количество информации, связанное с появлением каждого символа в сообщениях, записанных на русском языке. Будем  считать, что русский алфавит  состоит из 33 букв и знака “пробел” для разделения слов. По формуле (1.5)

     Н = log2 34 ≈ 5 бит.

     Однако, в словах русского языка (равно как  и в словах других языков) различные  буквы встречаются неодинаково  часто. Ниже приведена табл. 1 вероятностей частоты употребления различных знаков русского алфавита, полученная на основе анализа очень больших по объему текстов.

     Воспользуемся для подсчета Н формулой (1.6) и получим, что Н ≈ 4,72 бит. Полученное значение Н, как и можно было предположить, меньше вычисленного ранее. Величина Н,вычисляемая по формуле (1.5), является максимальным количеством информации, которое могло бы приходиться на один знак.

     Аналогичные подсчеты Н можно провести и для других языков, например, использующих латинский алфавит – английского, немецкого, французского и др. (26 различных букв и “пробел”). По формуле (1.5) получим

     H = log2 27 ≈ 4,76 бит.

     Как и в случае русского языка, частота  появления тех или иных знаков не одинакова.

     Если  расположить все буквы данных языков в порядке убывания вероятностей, то получим следующие последовательности:

     АНГЛИЙСКИЙ  ЯЗЫК: “пробел”, E, T, A, O, N, R, …

     НЕМЕЦКИЙ  ЯЗЫК: “пробел”, Е, N, I, S, Т, R, …

     ФРАНЦУЗСКИЙ ЯЗЫК: “пробел”, Е, S, А, N, I, Т, …

     Рассмотрим  алфавит, состоящий из двух знаков 0 и 1. Если считать, что со знаками 0 и 1 в двоичном алфавите связаны одинаковые вероятности их появления (Р(0)=Р(1)=0,5), то количество информации на один знак при двоичном кодировании будет равно

     H = 1оg2 2 = 1 бит.

     Таким образом, количество информации (в битах), заключенное в двоичном слове, равно  числу двоичных знаков в нем.

     Объемный подход

     В двоичной системе счисления знаки 0 и 1 будем называть битами (от английского выражения Binary digiTs – двоичные цифры). Отметим, что создатели компьютеров отдают предпочтение именно двоичной системе счисления потому, что в техническом устройстве наиболее просто реализовать два противоположных физических состояния: некоторый физический элемент, имеющий два различных состояния: намагниченность в двух противоположных направлениях; прибор, пропускающий или нет электрический ток; конденсатор, заряженный или незаряженный и т.п. В компьютере бит является наименьшей возможной единицей информации. Объем информации, записанной двоичными знаками в памяти компьютера или на внешнем носителе информации подсчитывается просто по количеству требуемых для такой записи двоичных символов. При этом, в частности, невозможно нецелое число битов (в отличие от вероятностного подхода).

     Для удобства использования введены  и более крупные, чем бит, единицы  количества информации. Так, двоичное слово из восьми знаков содержит один, байт информации,1024 байта образуют килобайт (кбайт), 1024 килобайта – мегабайт (Мбайт), а 1024 мегабайта – гигабайт (Гбайт).

     Между вероятностным и объемным количеством  информации соотношение неоднозначное. Далеко не всякий текст, записанный двоичными  символами, допускает измерение  объема информации в кибернетическом  смысле, но заведомо допускает его  в объемном. Далее, если некоторое  сообщение допускает измеримость  количества информации в обоих смыслах, то они не обязательно совпадают, при этом кибернетическое количество информации не может быть больше объемного.В дальнейшем практически всегда количество информации понимается в объемном смысле.

     2). Машина фон Неймана - математическая модель, абстракция принципов, по которым работают почти все современные электронные компьютеры.

     Согласно  принципам, сформулированным в начале 20-го века математиком Фон-Нейманом, компьютер должен:

  • иметь оперативную память
  • программу, которая используется для управления компьютером и хранится в оперативной памяти наравне с данными
  • код программы хранится и выполняется последовательно (линейно) сверху вниз

     В 1946 году группа ученых во главе с  Джоном фон Нейманом ( Г.Голдстайн, А.Беркс) написали статью «Предварительное рассмотрение логической конструкции ЭВ устройства». Там обосновывается использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций). До этого машины хранили данные в 10–ом виде.

     1.Принцип  программного управления. Он обеспечивает  автоматизацию процессов вычислений  на ЭВМ. Согласно этому принципу  программа состоит из набора  команд, которые выполняются процессором  автоматически друг за другом  в определенной последовательности.

     Как это выполняется? Введем 2 определения. Регистр – специализированная дополнительная ячейка памяти в процессоре. Регистр  выполняет функцию кратковременного хранения числа или команды. Счетчик  команд – регистр УУ, содержимое которого соответствует адресу очередной  выполняемой команды, он служит для  автоматической выборки программы  из последовательных ячеек памяти. То есть, с его помощью осуществляется выборка программы из памяти. Этот регистр последовательно увеличивает  хранимый в нем адрес очередной  команды на длину команды. А так  как команды программы расположены  в памяти друг за другом, то тем самым  осуществляется выборка цепочки  команд из последовательно расположенных  ячеек памяти. Если же нужно после выполнения команды перейти не к следующей, а к какой – то другой, используются команды условного или безусловного переходов. Таким образом, процессор исполняет программу автоматически, без вмешательства человека.

     2. Принцип однородности памяти. Программы  и данные хранятся в одной  и той же памяти. Поэтому компьютер  не различает, что храниться  в данной ячейке памяти –  число, текст или команда. Над  командами можно выполнять такие  же действия, как и над данными.  Иногда этот принцип называют  «принцип хранимой команды». И  это отсутствие принципиальной  разницы между программой и  данными дало возможность ЭВМ  самой формировать для себя  программу в соответствии с  результатом вычислений.

     3. Принцип адресности. Структурно  основная память состоит из  пронумерованных ячеек; процессору  в произвольный момент времени  доступна любая ячейка. Это позволяет  обращаться к произвольной ячейке (адресу) без просмотра предыдущих.

     Компьютеры, построенные на этих принципах, относят  к типу фон неймановских. На сегодняшний  день это подавляющие большинство  компьютеров, в том числе и IBM PС–совместимые. Но есть и компьютерные системы с иной архитектурой – например системы для параллельных вычислений.

     Архитектура фон Неймана (англ. von Neumann architecture) — широко известный принцип совместного хранения программ и данных в памятикомпьютера. Вычислительные системы такого рода часто обозначают термином «машина фон Неймана», однако, соответствие этих понятий не всегда однозначно. В общем случае, когда говорят об архитектуре фон Неймана, подразумевают физическое отделение процессорного модуля от устройств хранения программ и данных.

     Наличие заданного набора исполняемых команд и программ было характерной чертой первых компьютерных систем. Сегодня подобный дизайн применяют с целью упрощения конструкции вычислительного устройства. Так, настольные калькуляторы, в принципе, являются устройствами с фиксированным набором выполняемых программ. Их можно использовать для математических расчётов, но невозможно применить для обработки текста и компьютерных игр, для просмотра графических изображений или видео. Изменение встроенной программы для такого рода устройств требует практически полной их переделки, и в большинстве случаев невозможно. Впрочем, перепрограммирование ранних компьютерных систем всё-таки выполнялось, однако требовало огромного объёма ручной работы по подготовке новой документации, перекоммутации и перестройки блоков и устройств и т. п.

     Всё изменила идея хранения компьютерных программ в общей памяти. Ко времени  её появления использование архитектур, основанных нанаборах исполняемых инструкций, и представление вычислительного процесса как процесса выполнения инструкций, записанных в программе, чрезвычайно увеличило гибкость вычислительных систем в плане обработки данных. Один и тот же подход к рассмотрению данных и инструкций сделал лёгкой задачу изменения самих программ.

     Принципы  фон Неймана

     В 1946 году трое учёных[1] — Артур Бёркс (англ. Arthur Burks), Герман Голдстайн (англ. Herman Goldstein) и Джон фон Нейман — опубликовали статью «Предварительное рассмотрение логического конструирования электронного вычислительного устройства»[2]. В статье обосновывалось использование двоичной системы для представления данных в ЭВМ (преимущественно для технической реализации, простота выполнения арифметических и логических операций — до этого машины хранили данные в десятичном виде[3]), выдвигалась идея использования общей памяти для программы и данных. Имя фон Неймана было достаточно широко известно в науке того времени, что отодвинуло на второй план его соавторов, и данные идеи получили название «принципы фон Неймана».

     1. Принцип двоичного кодирования. Согласно этому принципу, вся информация, поступающая в ЭВМ, кодируется с помощью двоичных сигналов (двоичных цифр, битов) и разделяется на единицы, называемые словами.

     2. Принцип однородности памяти. Программы и данные хранятся в одной и той же памяти. Поэтому ЭВМ не различает, что хранится в данной ячейке памяти - число, текст или команда. Над командами можно выполнять такие же действия, как и над данными.

     3. Принцип адресуемости памяти. Структурно основная память состоит из пронумерованных ячеек; процессору в произвольный момент времени доступна любая ячейка.Отсюда следует возможность давать имена областям памяти, так, чтобы к запомненным в них значениям можно было бы впоследствии обращаться или менять их в процессе выполнения программы с использованием присвоенных имен.

     4. Принцип последовательного программного управления. предполагает, что программа состоит из набора команд, которые выполняются процессором автоматически друг за другом в определенной последовательности.

     5 Принцип жесткости архитектуры. Неизменяемость в процессе работы топологии, архитектуры, списка команд.

     Компьютеры, построенные на этих принципах, относят  к типу фоннеймановских.

     [править]Компьютеры, построенные на принципах фон Неймана

     В середине 1940-х проект компьютера, хранящего свои программы в общей памяти был разработан в Школе электрических разработок Мура (англ. The Moore School of Electrical Engineering) в Университете штата Пенсильвания (англ. The University of Pennsylvania). Подход, описанный в этом документе, стал известен как архитектура фон Неймана, по имени единственного из названных авторов проекта Джона фон Неймана, хотя на самом деле авторство проекта было коллективным. Архитектура фон Неймана решала проблемы, свойственные компьютеру ENIAC, который создавался в то время, за счёт хранения программы компьютера в его собственной памяти. Информация о проекте стала доступна другим исследователям вскоре после того, как в1946 году было объявлено о создании ENIAC. По плану предполагалось осуществить проект силами Муровской школы в машине EDVAC, однако до 1951 года EDVAC не был запущен из-за технических трудностей в создании надёжной компьютерной памяти и разногласий в группе разработчиков. Другие научно-исследовательские институты, получившие копии проекта, сумели решить эти проблемы гораздо раньше группы разработчиков из Муровской школы и реализовали их в собственных компьютерных системах. Первыми пятью компьютерами, в которых были реализованы основные особенности архитектуры фон Неймана, были:

  1. Манчестерский Марк I. Прототип — Манчестерская малая экспериментальная машина. Университет Манчестера (англ. The University of Manchester), Великобритания, 21 июня 1948 года;
  2. EDSAC. Кембриджский университет (англ. The Cambridge University), Великобритания, 6 мая 1949 года;
  3. BINAC. США, апрель или август 1949 года;
  4. CSIR Mk 1. Австралия, ноябрь 1949 года;
  5. SEAC. США, 9 мая 1950 года

     3)Обработка  нечисловой информации.

 
 
 
 

     4)Память  с произвольным  доступом.

 

     Запоминающее  устройство с произвольным доступом (сокращённо ЗУПД; также Запоминающее устройство с произвольной выборкой, сокращённо ЗУПВ; англ. Random Access Memory) — один из видов памяти компьютера, позволяющий единовременно получить доступ к любой ячейке (всегда за одно и то же время, вне зависимости от расположения) по её адресу на чтение или запись.

     Это отличает данный вид памяти от устройств  памяти первых компьютеров, созданных  в конце 40-х — начале 50-х годов XX века (EDSAC, EDVAC, UNIVAC), которые для  хранения программы использовали разрядно-последовательную память[1] на ртутных линиях задержки при которой разряды слова  для последующей обработки в  АЛУ поступали последовательно  один за другим.

     История

 

     Дополнительные  сведения: Прямой доступ к памяти

     Ранние  модели компьютеров, чтобы осуществить  функции основной памяти ёмкостью сотни  или тысячи бит, использовали реле, память на линиях задержки или различные  виды вакуумных трубок.

     Защёлки, построенные сперва на вакуумных триодах, а позднее на дискретных транзисторах, использовались для меньших по размеру и более быстрых блоков памяти, таких как регистры и регистровые хранилища прямого доступа. До разработки интегральных микросхем, память прямого доступа (или только для чтения) часто создавалась из матриц полупроводниковых диодов, управляемых дешифраторами адреса.

     Ситуация  в принципе изменилась с изобретением запоминающих устройств с произвольной выборкой, стала реализуемой разрядно-параллельная память, в которой все разряды слова одновременно считываются из памяти и обрабатываются АЛУ.

     Первой  коммерческой ЭВМ, использующей новую  организацию памяти стала созданная в 1953 году IBM 701, а первой массово продаваемой (150 экземпляров) — выпущенная в 1955 году IBM 704, в которой были реализованы такие новшества, как память на ферритовых сердечниках и аппаратное средство вычисления чисел с плавающей запятой.

     Внешние устройства IBM 704 и большинства компьютеров  того времени были очень медленны (например, лентопротяжное работало со скоростью 15 тыс. символов в секунду, что было гораздо меньше скорости обработки данных процессором), а  все операции ввода-вывода производились  через АЛУ, что требовало принципиального  решение проблемы низкой производительности на операциях ввода-вывода.

     Одним из первых решений стало введение в состав ЭВМ специализированной ЭВМ, называемой каналом ввода-вывода, которое позволяло АЛУ работать независимо от устройств ввода-вывода. На этом принципе, путём добавления в состав IBM 704 ещё шести каналов ввода-вывода, построена IBM 709 (1958 год).

     Первый  широко распространённой тип перезаписываемой памяти прямого доступа был запоминающим устройством на магнитных сердечниках, разработанным в 1949—1952 годах, и впоследствии использовался в большинстве компьютеров вплоть до разработки статических и динамических интегрированных каналов оперативной памяти в конце 1960-х — начале 1970-х.

     Для построения ЗУПВ современных персональных компьютеров широко применяются  полупроводниковые запоминающие устройства, в частности широко применяются  СБИС запоминающих устройств оперативной  памяти, по принципу организации подразделяемые на статические и динамические. В ОЗУ статического типа запоминающий элемент представляет собой триггер, изготовленный по той или иной технологии (ТТЛ, ЭСЛ, КМОП и др.), что позволяет считывать информацию без её потери. В динамических ОЗУ элементом памяти является ёмкость (например, входная ёмкость полевого транзистора), что требует восстановления записанной информации в процессе её хранения и использования. Это усложняет применение ОЗУ динамического типа, но позволяет реализовать больший объём памяти. В современных динамических ОЗУ имеются встроенные системы синхронизации и регенерации, поэтому по внешним сигналам управления они не отличаются от статических.

     5).Искусственный  интеллект. Искусственный интеллект это научное направление по разработке и построению специализированных устройств и программ для вычислительных машин, обеспечивающих обработку смысловой информации.

     Если  различным задачам попытаться дать самое общее определение, а точнее, найти самую общую для них  характеристику, она будет очень  проста: поиск пути от условия к  результату.

     6)Информационное  общество.

     Информационное  общество — теоретическая концепция  постиндустриального общества; историческая фаза возможного эволюционного развития цивилизации, в которой информация и знания умножаются в едином информационном пространстве. Главными продуктами производства информационного общества становятся информация и знания. Отличительные  черты:

     увеличение  роли информации, знаний и информационных технологий в жизни общества;

     возрастание числа людей, занятых информационными  технологиями, коммуникациями и производством  информационных продуктов и услуг, рост их доли в валовом внутреннем продукте;

     нарастающая информатизация общества с использованием телефонии, радио, телевидения, сети Интернет, а также традиционных и электронных  СМИ;

     создание  глобального информационного пространства, обеспечивающего: (а) эффективное информационное взаимодействие людей, (б) их доступ к  мировым информационным ресурсам и (в) удовлетворение их потребностей в  информационных продуктах и услугах;

     развитие  электронной демократии, информационной экономики, электронного государства, электронного правительства, цифровых рынков, электронных социальных и  хозяйствующих сетей; Основные идеи

 

     Учитывая  глубину и размах технологических  и социальных последствий компьютеризации  и информатизации различных сфер общественной жизни и экономической  деятельности, их нередко называют компьютерной или информационной революцией. Более того, западная общественно-политическая мысль выдвинула различные варианты так называемой концепции «информационного общества», имеющей своей целью объяснение новейших явлений, порожденных новым этапом научно-технического прогресса, компьютерной и информационной революцией. О значимости и растущей популярности этой концепции на Западе свидетельствует все более нарастающий поток публикаций на эту тему. В настоящее время в западной общественно-политической мысли она постепенно выдвигается на то место, которое в 70-х годах занимала теория постиндустриального общества.

     Необходимо  отметить, что ряд западных и отечественных  политологов и политэкономов  склоняется к тому, чтобы провести резкую грань, отделяющую концепцию  информационного общества от постиндустриализма. Однако, хотя концепция информационного  общества призвана заменить теорию постиндустриального  общества, ее сторонники повторяют  и дальше развивают ряд важнейших  положений технократизма, и традиционной футурологии.

     Симптоматично, что ряд ведущих исследователей, сформулировавших теорию постиндустриального  общества, как, например, Д. Белл, в настоящее  время выступает в качестве сторонников  концепции информационного общества. Для самого Белла концепция информационного  общества стала своеобразным новым  этапом развития теории постиндустриального  общества. Как констатировал Белл, «революция в организации и обработке информации и знания, в которой центральную роль играет компьютер, развивается в контексте того, что я назвал постиндустриальным обществом».

     Как считает профессор У. Мартин, под  информационным обществом понимается «развитое постиндустриальное общество», возникшее прежде всего на Западе. По его мнению, не случаен тот факт, что информационное общество утверждается прежде всего в тех странах — в Японии, США и Западной Европе, — в которых в 60-х — 70-х годах сформировалось постиндустриальное общество.

     У. Мартин предпринял попытку выделить и сформулировать основные характеристики информационного общества по следующим  критериям.

     Технологический: ключевой фактор — информационные технологии, которые широко применяются  в производстве, учреждениях, системе  образования и в быту.

     Социальный: информация выступает в качестве важного стимулятора изменения качества жизни, формируется и утверждается «информационное сознание» при широком доступе к информации.

     Экономический: информация составляет ключевой фактор в экономике в качестве ресурса, услуг, товара, источника добавленной  стоимости и занятости.

     Политический: свобода информации, ведущая к  политическому процессу, который  характеризуется растущим участием и консенсусом между различными классами и социальными слоями населения.

     Культурный: признание культурной ценности информации посредством содействия утверждению информационных ценностей в интересах развития отдельного индивида и общества в целом.

     При этом Мартин особо подчеркивает мысль  о том, что коммуникация представляет собой «ключевой элемент информационного  общества».

     Мартин  отмечает, что, говоря об информационном обществе, его следует принимать  не в буквальном смысле, а рассматривать  как ориентир, тенденцию изменений  в современном западном обществе. По его словам, в целом эта модель ориентирована на будущее, но в развитых капиталистических странах уже  сейчас можно назвать целый ряд  вызванных информационными технологиями изменений, которые подтверждают концепцию  информационного общества.

     Среди этих изменений Мартин перечисляет  следующие:

     структурные изменения в экономике, особенно в сфере распределения рабочей  силы; возросшее осознание важности информации и информационных технологий;

     растущее  осознание необходимости компьютерной грамотности;

Внешняя память компьютера. 2 📙 Курсовая → 🆔 54570

Внешняя память компьютера. 2 📙 Курсовая → 🆔 54570