Введение в специальность

5.ОСНОВНЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ СПЕЦИАЛЬНОСТИ И ИХ РОЛЬ В ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКЕ

Подготовка специалистов в области АСОИ охватывает следующие основные сферы:

1. Системный анализ и постановка задач создания АСОИ. Подготовку специалистов в этой сфере обеспечивают следующие курсы:

Теория вероятностей и математическая статистика (68 ч.); Системный анализ и исследование операций (102 ч.); Информационная технология (51 ч.); Математические модели информационных процессов и

управления (119 ч.); Теория автоматического управления (68 ч.);

Основы автоматизированного управления (85 ч.); Моделирование систем (96 ч.).

2. Программное обеспечение, создание и сопровождение баз данных систем обработки данных. Подготовка в этой сфере основана на изучении следующих базовых курсов:

Электроника (119 ч.); Электронные приборы (68 ч.);

Микропроцессоры и микрокомпьютеры (96 ч.); Программирование (119 ч.); Программное средства персональных компьютеров (102 ч.); Операционные системы (102 ч.); Системное программирование (119 ч.);

Объектно-ориентированное программирование (120 ч.); Базы и банки данных (102 ч.); Современные системы программирования (96 ч.).

3. Проектирование и эксплуатация АСОИ. Подготовка в области общесистемного проектирования средств обработки информации обеспечивается следующими дисциплинами:

Проектирование систем обработки данных (96 ч.); Аппаратное и программное обеспечение сетей (112 ч.); Проектирование баз данных (48 ч.); экспертные системы (80 ч.).

4. Интернет-технологии. Подготовка специалистов в этой сфере обеспечивается следующими дисциплинами:

Основы Интернет-технологий (64 ч.), Технологии Интернет-бизнеса (112 ч.), Технологии Интернет-программирования (96 ч.).

22

Основные требования к инженеру по информационным технологиям:

1.Широкая эрудиция в ряде научных областей и в первую очередь

всфере современных информационных технологий, в сочетании с прочными знаниями в области математики.

2.Адекватное понимание целей и функций исследуемой системы, умение формулировать цель и четко ставить задачи исследования.

3.Широкомасштабное и гибкое мышление в сочетании с чувством нового и способностью оценивать эффект и риск при принятии решения.

4.Способность за сравнительно короткое время изучить вопрос на уровне более узкого специалиста и правильно поставить задачу.

5.Владение знаниями и навыками моделирования, умение воплотить идею в модель и достичь конечного результата.

6.Умение выделить проблему, сформировать частные задачи ее решения, установить критерии оценки альтернативных вариантов разрешения проблемы.

7.Непрерывно повышать квалификацию и уровень своих знаний.

Личные черты идеального инженера по информационным технологиям:

1.Ярко выраженная склонность к системной точке зрения.

2.Способность к здравой объективной оценке.

3.Способность к творчеству.

4.Умение легко поддерживать человеческие отношения, проявлять положительные свойства лидерства, такта, чуткости.

5.Обладать даром выражения (устного, письменного, графического).

23

ЛИТЕРАТУРА

1.Основы современных компьютерных технологий. Учебное пособие/ Под ред. проф. А. Хомоненко. — СПб.: КОРОНА принт, 1998, 448с.

2.Симонович С. Информатика: базовый курс. Учебник для Вузов. –

СПб.: Питер, 1999, 490с.

3.Вудкок Дж. Современные информационные технологии совместной работы: Пер с англ. – М.: ИТД «Русская редакция», 1999, 256с

4.Васильев В., Малиновский А. Основы работы на ПК. – СПб.: БХВ Санкт-Петербург, 2000, 448с.

5.Гладких Б.А. Информатика: Введение в специальность. Учебное пособие для вузов. - Томск: Изд-во науч.-техн. литературы, 2002, 350 с.

24

65

Глава 2 Электронные вычислительные машины

2.1. Работы Атанасова

Каждому школьнику известно, что первая электронную вычислительнаямашинаназываласьENIAC, болееинформированные могутсказать, чтоизобрелиипостроилиееЭккертиМоучлив1945 г., однако специалистам следует знать, что с приоритетом здесь не такпросто. Спорыпоповодуавторствапродолжалисьпочти30 лет, покапосле7-летнегоразбирательствафедеральныйокружнойсудв городеМиннеаполисев1973 г. невынесследующегорешения: «ЭккертиМоучлинеизобрелипервымиавтоматическуюэлектронную

цифровуювычислительнуюмашину, а извлекли сущность концепции из изобретения д-ра Джона Винсента Атанасова».

		Атанасов (Atanasoff, John;
		1903—1995), американец бол-
		гарского происхождения, работал
		доцентом кафедры физики в уни-
		верситете города Эймс в сель-
	Джон Винсент Атанасов	скохозяйственномштатеАйова. С
		1930 г. вместе с аспирантами он
	(1903-1995)

66

занималсяприкладнымифизическимизадачами, требовавшимичисленногорешениясложныхдифференциальныхуравнений, которое всвоюочередь требовало решениясистем алгебраических уравненийвысокогопорядка. ДляускорениявычисленийАтанасовсначалапыталсяиспользоватьдифференциальныйанализатор Ванневара Буша, но точность при этом получалась недостаточной. Табулятор Холлеритаеготоженеустроилиз-занизкойскоростиэлектромеха- нического вычислительного устройства. Тогда Атанасов решил создатьпринципиальноновуюскоростнуювычислительнуюмашину, работающуюнаэлектронныхлампах.

Ведущие фирмы, выпускавшие перфокарточное оборудование и не верившие в электронные лампы, проектом не заинтересовались, финансировать работу согласилась лишь экспериментальная агрохимическая станция штата Айова. В 1939 г. Атанасов вместе с аспирантом Клиффордом Берри приступил к постройке машины, предназначеннойдлярешениясистемыалгебраическихуравнений с 30 неизвестными (проект «ABC» — Atanasoff-Berry Calculator).

Машинадолжнабыласодержатьоколо300 электронныхлампи работать в двоичной (опять-таки раньше фон Неймана) системе счисления с точностью 50 разрядов. Весьма оригинальной была конструкция оперативного запоминающего устройства. Оно представлялособойбарабан, вращающийсясоскоростьюодиноборотв секунду. На поверхности барабана рядами располагались 1632 бумажныхконденсатора, которыеприпомощискользящихщетокподключались к шине данных. Таким образом, скорость вычислений определялась временемвращениябарабана исоставляла однуоперацию в секунду.

К весне 1942 г. проект был в близком к завершению состоянии, однако обстановка военного времени не дала возможность его успешнозакончить, специализированнаяэлектроннаявычислительная машинанезаработалаичерезнекотороевремябыларазобрана. Она такинепопалабывисторию, еслибынеслучайнаявстречаАтанасова на конференции в Филадельфии в декабре 1940 года с доктором Джоном Моучли (John Mouchly) из Пенсильванского университета, который также занимался вопросами механизации

67

вычислений. МоучлитакзаинтересовалсяработамиАтанасова, что в июне 1941 г. специально приехал в Эймс и гостил у Атанасова пять дней, подробно знакомясь с принципом работы и конструкциеймашины. Хозяинничегонескрывал, подробнообсуждаясМоучливсеаспектыпроблемы. Вписьмеот30 сентября1941 годаМоучли спрашивалАтанасова:: «НебудетелиВывозражать, еслиязаймусь разработкойвычислительногоустройства, содержащегонекоторые особенности Вашей машины?»

Хотя впоследствии Моучли отрицал решающее влияние работ Атанасова на проект ENIAC, историки науки, вслед за авторитетным судом, все-таки отдали приоритет изобретения ЭВМ Джону Атанасову. Впрочем, чтоникак не умаляет заслуг Моучли и Эккерта: Эти выдающиеся ученые не только предложили проект, но и реально построили первую универсальную программно-управляе- муюэлектроннуювычислительнуюмашину, котораяширокоиспользовалась в практических целях и положила начало эпохе современныхэлектронныхкомпьютеров.

2.2.Первая электронная вычислительная машина

ENIAC

Многие современные технические достижения — атомная физика, космонавтика, радиотехника и т. д. были стимулированы второймировойвойной. Такслучилосьисвычислительнойтехникой. Отрицательно повлияв на работы Цузе в Германии и Атанасова в США, военная обстановка, как бы в порядке компенсации, оказалась благосклонной к проекту ENIAC.

С самого начала войны американская Лаборатория баллистических исследований, расположенная в штате Мэриленд, занималась трудоемкими расчетами баллистических таблиц, необходимыхартиллеристамвовремябоя. Какоказалось, ранеесоставленные таблицы плохо работали на африканском театре воен-

68

ных действий, где из-за мягкой почвы орудия давали большую отдачу и снаряды не долетали до цели. Каждая таблица состояла из 2000 траекторий, а на каждую траекторию нужно было выполнить по крайней мере 750 умножений.

Перегруженные работой, военные обратились за помощью в расположенный неподалеку Пенсильванский университет, где был создан вспомогательный вычислительный центр.

К работе был привлечен ряд преподавателей Электротехнической школы им. Мура этого университета, в том числе уже знакомый намДжонМоучли, (Mouchly, John; 1907—1980) выпускник университета Джона Гопкинса, получивший там степень доктора по физике. С 30-х годов, работая в Институте Карнеги над проблемами статистической обработки геофизических данных, он пришел к мысли о необходимости автоматизации вычислений. В 1941 г. перешел на преподавательскую работу в Пенсильванский университет, где ктомувременибылпостроенкрупнейшийвмире дифференциальный анализатор.

Сначала расчеты решено было проводить на дифференциальноманализаторе, ноужевавгусте1942 г. (скореевсего, подвпечатлением от «калькулятора Атанасова») Моучли предложил создать дляэтогобыстродействующуюэлектроннуюмашину. Своисоображения он изложил в докладной записке, которая затерялась в инстанциях и осталась без ответа. И не быть бы ENIAC, если бы на сцене не появился еще один персонаж — лейтенант Герман Голдстейн, бывший доцент математики Мичиганского университета, а в годы войны — военный представитель в Муровской электротехнической школе. Случайно узнав о записке, он попросил Моучли восттановить ее. Новый вариант записки Моучли написал совместнососвоимученикомДжоном Преспером Эккертом(Eckert, John Presper; 1919—1995) — выпускникомМуровскойэлектротехнической школы, оставленным после ее окончания на преподавательскую работу. Эккерт увлекался радиотехникой с детства, в возрасте восьми лет сам построил радиоприемник, а в дальнейшем зарекомендовал себя как блестящий специалист по применению электронныхламп.

69

Голдстейн началхлопотать, чтобы проектодобрили, ивапреле 1943 г. министерство обороны заключило с училищем договор на 400 000 долларов на постройку «электронной машины для расчета баллистических таблиц». Руководителем работы и научным консультатном был назначен Моучли, главным конструктором —Эк- керт, которомукакразисполнилось24 года, атехническимкуратором от министерства обороны — капитан Голдстейн. Коллектив созда-

телейENIAC (Electronic Numerical Integrator And Calculator — элект-

ронный интегратор и вычислитель) включал 10 инженеров, 200 техниковибольшоечислорабочих. Работышлинаудивлениегладко, ивоктябре1945 года, черездвамесяцапослеокончаниявторой мировой войны, машина была готова.

Это было огромное сооружение, состоящее из расположенных П-образно 40 панелей, 26 м в длину и 6 м в высоту, вес машины

		составлял 30 т. Всего в машине
		было более 100 000 электрон-
		ных компонентов, в том числе
		17 468 электронныхлампи1500
		реле.	Электронное чудовище
		потребляло 150 квт электро-
		энергии, егорадиолампывыде-
		ляли столько тепла, что,
		несмотря на многочисленные
		вентиляторы, температура воз-
		духавмашинномзалеподнима-
		лись до 50 градусов.
		Машина работала в деся-
		тичнойсистемесчисления(Мо-
	ЭВМ ENIAC, 1945. На пере-	учли	так и не решился
		заимствоватьуАтанасоваболее
	днем плане - Моучли и Эккерт
		экономичную двоичную систе-

му, считая, что десятичная понятнее человеку), точность вычислений составляла 10 десятичных разрядов, оперативная память состояла из 20 триггерных регистров. Исходные данные вводились при помощи перфокарт, а про-

70

грамманабираласьвручнуюспомощьюмногочисленныхпереключателей и штепсельных разъемов, как в табуляторе. Это было вынужденное решение, так как электромеханическое управление с перфокарт или перфолент сильно замедлило бы работу электронного арифметического устройства, а хранить программу в оперативнойпамятиещенедодумались, дапритакомееобъемеэтобыло бы просто невозможно.

Каквидим, помногимпараметрамреальнаяENIAC всеещеуступалапроектуАналитическоймашинеБэббиджа, затоонаработала! Иработалаоченьбыстро— 5000 сложенийи3500 умноженийв одну секунду. Она рассчитывала траекторию снаряда быстрее, чем снаряд долетал до цели.

Поскольку к моменту сдачи машины война закончилась и артиллерийские таблицы уже не требовались, официальные испытанияпроводилиназадачеизновойпредметнойобласти: нужнобыло рассчитать, возможно ли в принципе создание водородной бомбы. Переработав миллион перфокарт, ENIAC успешно решила эту задачу, с ходу открыв важнейшее направление будущего использованияЭВМ— компьютерноемоделирование. Весной1946 г. машина была рассекречена и показана журналистам. Один из них, потрясенный скоростью вычислений, писал, что машина работает «быстрее мысли». С этого времени начался отсчет времени эпохи электронныхкомпьютеров.

2.3.Проект фон Неймана и его вклад

вархитектуру ЭВМ

УжевпроцессесозданияENIAC выявилсяееглавныйнедостаток— невозможностьбыстрогоизмененияпрограммывычислений. Длятого, чтобыввестипрограмму, работающуюнесколькосекунд, персонал должен был в течение двух суток заниматься перекоммутированием штеккеров. Тем не менее Мочли и Эккерт не пошли по пути Бэббиджа и не стали вносить принципиальные изменения в конструкцию, вместо этого они, параллельно с завершением рабо-

71

тынадENIAC, началиновыйпроект, названныйEDVAC (Electronic Discrete Variable Automatic Computer — электронный дискретный переменныйкомпьютер). Заявленнаявназванииизменяемостьобеспечиваласьтем, чтопрограммывновоймашинепредполагалосьне зашивать в конструкцию, а хранить в оперативной памяти, размер которойдолженбытьдляэтогодостаточнобольшим. Проблемасостоялавтом, чтобынайтифизическийпринципдлясозданиятакой памяти, таккакхранитькаждыйбитинформациинаотдельномтриггере из двух радиоламп — чересчур дорогое удовольствие1.

Эккерт предложил оригинальное решение, заимствованное из радиолокационной техники: ультразвуковые линии задержки. Они представляли собой трубки, наполненные ртутью. На одном конце помещался излучатель, преобразующий электрические сигналы в акустические, а на другом — микрофон, осуществляющий обратноепреобразование. Покаакустические сигналыбегут вдольтрубки, они сохраняют информацию, подобно тому, как ущелье хранит эхо. Таким образом удается на одной трубке запомнить до тысячи бит.

Кроме хранения программ в памяти, машина EDVAC должна былаиметьещеоднуважнуюособенность: всечисладолжныбыли внейхранитьсявдвоичнойсистемесчисления. Этопозволялозначительно упростить и удешевить электронные схемы.

В конце 1944 г., когда прояснялись основные контуры будущей машины, в группе разработчиков появился еще один участник. По настоянию Голдстейна в качестве консультанта проекта был приглашензнаменитыйматематикДжонфонНейман, иэтотфактимел далеко идущие последствия.

Джон(Янош) фонНейман(Neumann, John von; 1903—1957) —

легендарная фигура в истории науки, один из самых знаменитых ученых XX века. Венгр по происхождению, он закончил Будапеш-

1 Создание быстродействующей памяти большого объема — ключевая проблема вычислительнойтехники. ДостижениявэтойобластиопределялинапотяжениинесколькихпоколенийЭВМиопределяютвомногомдосихпордостигаемыйуровень производительностикомпьютеров.