Історія засобів опрацювання інформаційних об'єктів. Класифікація та загальна характеристика програмного забезпечення

Лічильні пристрої до появи ЕОМ

Ще за часів найдавніших культур людині доводилося розв'язувати задачі, пов'язані з торговельними розрахунками, з обчисленням часу, із визначенням площі земельних ділянок тощо. Зростання обсягів цих розрахунків призводило навіть до того, що з однієї країни до іншої запрошували спеціально навчених людей, які добре володіли технікою арифметичного числення. Тому рано чи пізно мали з'явитися пристрої, що полегшують виконання повсякденних розра­хунків. Так у Давній Греції й у Давньому Римі були створені пристрої для лічби, названі абак (від грецького слова abakion - «дощечка, покрита пилюкою»). Абак називають також римською рахівницею (латиною - abacus). Це були кістяні, кам'яні чи бронзові дошки із заглибленнями-смугами, у яких містилися кісточки (або камені). Лічба здійснювалася пересуванням кісточок.

 У країнах Давнього Сходу (Китаї, Японії, Індокитаї) існувала китайська рахівниця. На кожній нитці або дротині в цій рахівниці було по п'ять і по дві кісточки. Лічили одини­цями і п'ятірками. У Росії для арифметичних обчислень застосовувалася русь­ка рахівниця, що з'явилися в XVI столітті, але подекуди рахівниці можна зустріти і сьогодні.

 Розвиток пристроїв для лічби крокував у ногу з досягненнями математики. Незабаром після введення в обіг логарифмів у 1623 р. з'явилася логарифмічна лінійка, яку винай­шов англійський математик Едмонд Гантер. Логарифмічній лінійці судилося довге життя: від XVII століття до нашого часу.

Однак наявність абака, рахівниці, логарифмічної лінійки не є механізацією процесу обчислення. У XVII столітті видатний французький учений Блез Па­скаль створив принципово новий лічильний пристрій - арифметичну машину. В основу її роботи Б. Паскаль поклав відому до нього ідею виконання розрахунків за допомогою металевих шестерень. У 1645 р. він побуду­вав першу підсумовувальну машину, а в 1675 р. Паскалю вдалося створити машину, що виконувала всі чотири арифметичні дії. Майже водночас з ним у 1670-1680 рр. відомий німецький математик Готфрід Лейбніц сконструював лічильну машину.

Лічильні машини Паскаля і Лейбніца ста­ли прообразом арифмометра. Перший ариф­мометр для чотирьох арифметичних дій, який застосовувався у практиці, вдалося сконст­руювати тільки через сто років, у 1790 р., ні­мецькому годинниковому майстру Гану. Зго­дом пристрій арифмометра удосконалювався багатьма механіками з Англії, Франції, Італії, Росії, Швейцарії. Арифмометри застосовува­лися для виконання складних розрахунків під час проектування та будівництва кораблів, мостів, будинків, проведення фінансових опе­рацій. Але продуктивність роботи на арифмометрах залишалася невисокою, нагальною вимогою часу була автоматизація розрахунків.

У 1833 р. англійський вчений Чарльз Бебідж, укладач таблиць для навігації, розробив проект «аналітичної машини». За його задумом, ця машина мала стати гігантським арифмометром із програмним керуванням. У машині Бебіджа перед­бачені були також арифметичний і запам'ятовуючий пристрої. Його машина стала прообразом майбутніх комп'ютері. Але вузли, що використовувалися в ній, не були досконалими, наприклад для запам'ятовування розрядів десяткового числа в ній застосовувалися зубчасті колеса. Здійснити свій проект Бебідж не зміг через недостатній розвиток техніки, і «аналітична машина» на деякий час була забута.

Лише через 100 років машина Бебіджа привернула увагу інженерів. Наприкінці 30-х років XX століття німецький інженер Конрад Цузе розробив першу двійкову цифрову машину Z1. У ній застосовувалися електромеханічні реле, тобто механічні перемикачі, які починають працювати під дією електричного струму. У 1941 р. К. Цу­зе створив машину Z3, цілком керовану за допомогою програми.

У 1944 р. американець Говард Айкен на одному із підприємств фірми ІВМ побудував досить потужну на той час обчислювальну машину «Марк-1». У цій машині для зображення чисел використовувалися механічні елементи - лічильні колеса, а для керування - електромеханічні реле.

Покоління ЕОМ

Історію розвитку ЕОМ варто описувати, використовуючи знання про поко­ління обчислювальних машин. Кожне покоління ЕОМ характеризується своїми конструктивними особливостями і можливостями. Зробимо опис кожного з поколінь, однак пам'ятатимемо, що розподіл ЕОМ на покоління є умовним, оскільки водночас випускалися машини різного рівня.

Перше покоління

 Різкий стрибок у розвитку обчислювальної техніки відбувся в 40-х роках, після Другої світової війни, і пов'язаний він був із появою якісно нових електронних пристроїв - електронно-вакуум­них ламп. Електричні схеми, побудовані на цих лампах, працювали значно швидше, ніж схеми на електромеханічних реле. Зросла швидкодія обчислювальних машин, і релейні машини були усунуті продуктивнішими і надійнішими електронними обчислювальними машинами (ЕОМ). Застосування ЕОМ значно розширило коло розв'язуваних завдань. Доступними стали завдання, які раніше просто не ставилися: розрахунки інженерних споруд, розрахунки руху планет, балістичні розрахунки тощо.

Перша ЕОМ створювалася в 1943 - 1946 рр. у США і називалася ЕНІАК (ENIAC – Electronic Numerical Integrator and Calculator - електронно-числовий інтегратор і обчислювач). Ця машина містила близько 18 тисяч електронних ламп, багато електромеханічних реле, причому щомісяця виходило з ладу близь­ко 2 тисяч ламп. У машини ЕНІАК, а також в інших перших ЕОМ був серйозний недолік – програма, що виконувалася і зберігалася не в пам'яті машини, а набиралася складним способом за допомогою зовнішніх перемичок.

У 1945 р. відомий математик і фізик-теоретик фон Нейман сформулював загальні принципи роботи універсальних обчислю­вальних пристроїв. За фон Нейманом, обчислювальна машина повинна керуватися програ­мою з послідовним виконанням команд, а сама програма — зберігатися в пам'яті машини. Перша подібна ЕОМ була побудована в Англії в 1949 р.

У 1951 році в СРСР була створена «МЭСМ» (малая электронно-счетная машина). Ці роботи здійснювались в Україні (м. Київ) в Інституті електро­динаміки під керівництвом видатного конструктора обчислювальної техніки С.О. Лебедєва. Можна стверджувати, що «МЭСМ» була першою ЕОМ в континентальній Європі.

ЕОМ постійно вдосконалювалися, завдяки чому до середини 50-х років їх швидкодію вдалося підвищити від кількох сотень до кількох десятків тисяч операцій за секунду. Однак при цьому електронна лампа залишалася найненадійнішим елементом ЕОМ. Використання ламп почало гальмувати подаль­ший прогрес обчислювальної техніки.

Згодом на зміну лампам прийшли напівпровідникові прилади. Так завер­шився перший етап розвитку ЕОМ. Обчислювальні машини цього етапу прийнято називати ЕОМ першого покоління.

Характерними рисами ЕОМ першого покоління є застосування електронних ламп у цифрових схемах, великі габарити, а також трудомісткий процес програмування.

Насправді, ЕОМ першого покоління розміщувалися у великих машинних залах, споживали багато електроенергії та вимагали охолодження за допомогою потужних вентиляторів. Програми для цих ЕОМ потрібно було складати у машинних кодах, і це могли робити тільки фахівці, що знали детально пристрій ЕОМ.

Друге покоління

Розробники ЕОМ завжди прямували за прогресом в електронній техніці. Коли в середині 50-х років на зміну електронним лампам прийшли напівпро­відникові прилади, почалося переведення ЕОМ на напівпровідники.

Напівпровідникові прилади (транзистори, діоди) були, по-перше, значно компактнішими, ніж їхні лампові попередники. По-друге, вони мали триваліший термін служби. По-третє, споживання енергії в ЕОМ на напівпровідниках було істотно нижчим.

З упровадженням цифрових елементів на напівпровідникових приладах почалося створення ЕОМ другого покоління.

ЕОМ другого покоління відрізняються застосуван­ням напівпровідникових елементів і використанням алгоритмічних мов програмування.

Завдяки застосуванню більш досконалої елементної бази почали створю­ватися невеликі ЕОМ, сталося розподілення обчислювальних машин на великі, середні й малі.

В Україні першою малою ЕОМ стала машина «Днепр-1», серійне вироб­ництво якої було налагоджено на заводі «Арсенал» (м. Київ). ЕОМ «Днепр-1» передувала унікальній за своєю архітектурою машині «Мир-1», розробленій в 1965 р. в Інституті кібернетики (керівник В.М. Глушков). Машина    «Мир-1» та її наступна модифікація «Мир-2» передбачались для інженерних розрахунків, які виконував на ЕОМ сам користувач без допомоги оператора.

У СРСР були розроблені і широко використовувалися також малі ЕОМ «Раздан» і «Наїрі». До середніх ЕОМ належали машини серій «Урал», «М-20» і «Минск». Але рекордною серед вітчизняних машин другого покоління і однією з найкращих у світі була «БЭСМ-6», створена колективом на чолі з академіком С.О. Лебедєвим. Ця машина виконувала понад 1 млн. операцій за секунду.

За кордоном найпоширенішими машинами другого покоління були «Елліот» (Англія), «Сіменс» (ФРН), «Стретч» (США).

Третє покоління

Чергова зміна поколінь ЕОМ відбулася напри­кінці 60-х років при переході від напівпровід­никових приладів у пристроях ЕОМ до інтегральних схем. Інтегральна схема (мікросхема) - це невелика пластинка кристалу кремнію, на якій розміщуються сотні і тисячі елементів: діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів тощо.

Застосування інтегральних схем надало можливість збільшити кількість електронних елементів в ЕОМ без зміни їхніх реальних розмірів. Швидкодія ЕОМ зросла до 10 мільйонів операцій за секунду. Крім того, складати програми для ЕОМ стало під силу простим користувачам, а не тільки фахівцям у галузі електроніки.

Характерними рисами ЕОМ третього покоління є застосування інтегральних схем і можливість використання розвинутих мов про­грамування (мов високого рівня).

У третьому поколінні з'явилися великі серії ЕОМ, що розрізняються за своєю продуктивністю і призначенням. Це родина великих і середніх машин ІВМ 360/370, розроблених у США. У Радянському Союзі й у країнах РЕВ були створені аналогічні серії машин: ЄС ЕОМ (Єдина Система ЕОМ, маши­ни великі і середні), СМ ЕОМ (Система Малих ЕОМ) і «Електроніка» (система мікро-ЕОМ).

Четверте покоління

У процесі вдосконалення мікросхем збільшувалася їхня надійність і щіль­ність розміщених в них елементів. З'явилися великі інтегральні схеми (ВІС), у яких на один квадратний сантиметр припадає декілька десятків тисяч елементів. На основі ВІС були розроблені ЕОМ наступного - четвертого покоління.

Завдяки ВІС на одному невеличкому кристалі кремнію стало можливим розмістити таку велику електронну схему, як процесор ЕОМ (про процесори йтиметься пізніше). Однокристальні процесори згодом почали називати мікро­процесорами. Перший мікропроцесор був створений компанією Intel (США) у 1971 р. Це був 4-розрядний Intel 4004, що містив 2250 транзисторів і виконував 60 тис. операцій за секунду.

Мікропроцесори стали основою міні-ЕОМ, а потім і персональних комп'юте­рів, тобто ЕОМ, орієнтованих на одного користувача. Почалася епоха пер­сональних комп'ютерів (ПК), що триває і досі. Однак четверте покоління ЕОМ – це не тільки покоління ПК. Крім персональних комп'ютерів, існують й інші, значно потужніші комп'ютерні системи.

ЕОМ четвертого покоління характеризуються застосуванням мікропроцесорів, побудованих на великих інтегральних схемах.

Вплив персональних комп'ютерів на уявлення людей про обчислювальну техніку виявився настільки великим, що поступово з ужитку зник термін «ЕОМ», а його місце зайняло слово «комп'ютер».

П'яте покоління

Починаючи із середини 90-х років, у потужних комп'ютерах застосовуються супермасштабні ВІС, які вміщують сотні тисяч елементів на квадратний сан­тиметр. Багато фахівців почали говорити про комп'ютери п'ятого покоління.

Характерною рисою комп'ютерів п'ятого покоління повинно бути використання штучного інтелекту і природних мов спілкування.

Передбачається, що обчислювальні машини п'ятого покоління будуть легкокерованими. Користувач зможе голосом подавати команди машині.

Галузі застосування обчислювальних машин

     У людей завжди існувала потреба виконувати ті або інші розрахунки. Поява ЕОМ дала можливість вирішувати такі завдання, які раніше були не під силу ме­ханічним і електромеханічним обчислювальним пристроям. Перші потужні ЕОМ конструювалися заради вирішення складних прикладних науково-технічних завдань: визначення координат кораблів, космічних апаратів, розрахунку фізич­них процесів, економічного планування тощо. Для виконання різних розрахунків на ЕОМ створювалося спеціальне математичне і програмне забезпечення. Вар­тість цього забезпечення вже в 60-ті роки перевищила вартість матеріальної частини ЕОМ.

З винаходом персональних комп'ютерів і розробкою мережних технологій з'явилися нові галузі застосування обчислювальної техніки. Наведемо лише основні напрями використання комп'ютерів за нашого часу.

-  Математичні розрахунки - виконання розрахунків за допомогою різних математичних пакетів, електронних таблиць тощо.

-  Бази і банки даних - створюються в різних галузях людської діяльності (законодавство, економіка, бізнес, медицина та інше).

-  Бізнес-додатки - бухгалтерські програми, облік руху товарів і фінансів, обслуговування банків і страхових компаній, автоматизовані системи керування підприємствами тощо.

-  Робота з текстовими матеріалами - створення документів, оптичне розпіз­навання, переклад.

-  Видавництво і поліграфія - макетування книг, журналів, газет; автома­тизація поліграфічного процесу.

-  Комп'ютерна графіка і живопис - опрацювання графічних зображень, ство­рення малюнків засобами комп'ютерної графіки.

-  Інженерна графіка - різні програмні додатки в архітектурі, машинобуду­ванні, електронній техніці; створення геоінформаційних систем.

-  Наукові дослідження - машинне моделювання експериментів, розрахунки фізичних моделей тощо.

-  Комунікації - комп'ютерні мережі різного масштабу, Інтернет, електронна пошта, телеконференції.

-  Web-технології - підготовка публікацій, призначених для World Wide Web; електронна комерція.

-  Розваги і дозвілля - мультимедійні додатки, комп'ютерні ігри, контакти із зовнішнім світом.

Класифікація та загальна характеристика програмного забезпечення. 

Інформаційною системою називають сукупність взаємопов'язаних засобів, які здійснюють зберігання та обробку інформації. В сучасних інформаційних системах обов'язково застосовують комп'ютерну техніку, тому їх також нази­вають інформаційно-обчислювальними системами. До інформаційної системи дані надходять від джерела інформації. Ці дані надсилаються на зберігання чи зазнають певної обробки у системі і потім передаються споживачеві. Споживачем може бути людина, пристрій або інша інформаційна система. Між споживачем та власне інформаційною системою може бути встановлений зво­ротний зв'язок. У цьому разі інформаційна система називається замкненою. Канал зворотного зв'язку є необхідним, якщо потрібно врахувати реакцію спо­живача на отриману інформацію.

Схема інформаційно-обчислювальної системи

Програмне забезпечення

Необхідною складовою інформаційної системи є програмне забезпечення (ПЗ), яке називають також software (у перекладі "м'який виріб") чи просто "софт". Програмне забезпечення поділяється на такі категорії:

-  Системні програми - призначені для управління пристроями комп'ютера та обчислювальними процесами.  

-  Інструментальні системи - призначені для створення нових програм, до цих систем входять різноманітні мови програмування.

-  Прикладні програми - до них належить програмне забезпечення, що не входить до перших двох категорій.

Категорії програмного забезпечення

Системні програми

Ця частина ПЗ забезпечує технічне функціонування комп'ютера, керування взаємодією різноманітних програм та пристроїв, розподіл ресурсів між про­грамами користувачів, діагностику несправностей тощо. Системні програми поділяються на такі групи:

-  операційні системи (MS-DOS, Windows, Unix, OS/2, Linux тощо);

-  драйвери, що розширюють можливості ОС та дають можливість їй працю­вати із зовнішніми пристроями;

-  програми-оболонки, що забезпечують зручний наочний спосіб спілкування з комп'ютером (наприклад, Norton Commander, FAR);

-  утиліти, що є допоміжними програмами, призначеними для обслуговування дисків, резервування, захисту від вірусів, архіватори тощо.

Найважливішою складовою системного ПЗ є операційна система - ОС. Це необхідний компонент будь-якого працездатного комп'ютера. Завдяки ОС здійснюється запуск необхідних програм, введення команд з клавіатури та виведення інформації на принтер чи монітор. ОС "знає", як працює кожен зовнішній пристрій, підключений до комп'ютера, та якою мовою слід звертатися до цих пристроїв. Крім того, ОС автоматично завантажується до пам'яті під час ввімкнення комп'ютера, який після цього є готовим до роботи. Будь-яка програма, що виконується на комп'ютері, користується послугами ОС.

Інструментальні системи

Інструментальна система — це комплекс програмних засобів, призначених для створення нових програм. Така система обов'язково містить мову про­грамування (наприклад, С++, Delphi, Visual Basic, Fortran, Ada), а також сере­довище для розробки додатків. Це середовище, інакше кажучи, інтерфейс, підтримує необхідні типові інструменти програмування.

Прикладні програми

Раніше було сказано про те, які різноманітні завдання можна виконувати за допомогою обчислювальних машин. Для виконання цих завдань створюється відповідне програмне забезпечення, яке не потребує навичок програмування і розраховане, передусім, на широке коло користувачів.