Podstawy informatyki Izabela Szczęch Politechnika Poznańska
WPROWADZENIE DO INFORMATYKI
Plan wykładu Informatyka jako dziedzina naukowa Zarys historii informatyki Zadania i zastosowania informatyki Kierunki rozwoju współczesnej informatyki 3
Czym jest informatyka? Informatyka zajmuje się całokształtem przechowywania, przesyłania, przetwarzania i interpretowania informacji. Wyróżnia się w niej dwa działy, dotyczące sprzętu i oprogramowania. /Encyklopedia/ 4
Czym jest informatyka? Informatyka (ang. computer/computing science) dziedzina nauki i techniki zajmująca się gromadzeniem, przetwarzaniem i wykorzystywaniem informacji w języku polskim termin informatyka zaproponował w 1968 r. prof. Romuald Marczyński na konferencji poświęconej maszynom matematycznym wzorem nazwy były francuskie informatiquei niemieckie Informatik 5
Czym jest informatyka? Informatykę można rozpatrywać jako: samodzielną dyscyplinę naukową narzędzie wykorzystywane przez inne nauki gałąź techniki przemysł wytwarzający sprzęt i oprogramowanie 6
ZARYS HISTORII INFORMATYKI
Pierwsze maszyny do obliczeń Proste, prymitywne maszyny do liczenia: nacięcia (35 20 tys. lat p.n.e) stosowane jeszcze w XIX wieku w Anglii palce u rąk i nóg, inne części ciała liczby na sznurkach najbardziej znane kipu (quipu) Inków wiązanie węzełków na sznurkach, umożliwia już odliczanie w systemie pozycyjnym, do dzisiaj używają jej Indianie boliwijscy i peruwiańscy 8
Pierwsze maszyny do obliczeń Chińczycy liczyli do 100 tys. na jednej ręce i do 10 mld na obu! 9
Pierwsze maszyny do obliczeń W X wieku p.n.e. do obliczania wyników stosowano układy kamieni Później nawlekanie kamieni na pręty doprowadziło do stworzenia pierwszego liczydła zwanego abakusem. Calculus(łac.) kamyk Abakus (grecki) tabliczka, deska 10
Współczesne liczydła SUAN-PAN chińskie liczydło z X-XI w. we współczesnej postaci na każdym pręcie jest 7 żetonów: 5 dolnych odpowiada jednościom, a każdy górny liczbie 5. Kolejne pręty odpowiadają kolejnym pozycjom w systemie dziesiętnym 109 10905 1090587 11
Współczesne liczydła SOROBAN japońskie liczydło z XIX w. cztery guziki na dole w każdym rzędzie służą do odkładania kolejnych jedności 1-4 przez przesuwanie ich do środka przejście od 4 do 5 polega na cofnięciu czterech jedności na pozycje początkowe i przesunięcie górnego guzika do środka SZCZOTY rosyjskie liczydło z XVII w. jego budowa jest dostosowana do budowy pary rąk dwa żetony w innym kolorze na środku każdego rzędu odpowiadają kciukom, pozostałe palcom rzędy liczące 4 żetony służą do odznaczania czwartych części rubla i kopiejki 12
Współczesne liczydła SUAN-PAN obok PC Soroban w japońskiej szkole Szczoty na targu w Kijowie 13
Pierwszy algorytm Algorytmjest pewną ściśle określoną procedurą obliczeniową, która w skończonej liczbie kroków i w skończonym czasie wytwarza dla zestawu właściwych danych wejściowych żądane dane wyjściowe Algorytm to pojęcie abstrakcyjne. Formalnie spisana wersja algorytmu to program Euklides w IV w. p.n.e. określił metodę wyznaczania największego wspólnego dzielnika dwóch liczb - znaną jako tzw. algorytm Euklidesa Algorytmikato nauka o tworzeniu algorytmów. Za jej prekursora możemy uznać Euklidesa 14
Algorytm Euklidesa największy wspólny dzielnik Lista kroków: krok 1: Czytaj a,b krok 2: Dopóki a b, wykonuj krok 3. Inaczej pisz a i zakończ algorytm krok 3: Jeżeli a> b, to a a -b. Inaczej b b a Co się stanie jeśli a lub b będzie równe 0? Jak zmodyfikowałbyś algorytm, aby uwzględniał takie przypadki? 15
Algorytm Euklidesa największy wspólny dzielnik Algorytm wykorzystujący funkcję modulo (reszty z dzielenia) to druga równoważna implementacja algorytmu Euklidesa Lista kroków: krok 1: Czytaj a,b krok 2: Obliczcjako resztę z dzielenia a przez b krok 3: Zastąpaliczbą b, następnie b liczbą c krok4: Jeżeli wartość b wynosi 0, to a jest szukaną wartością NWD, w przeciwnym wypadku przejdź do kroku 2 16
Wieki średnie Muhammad al-khwarizmi - perski matematyk, astronom, geograf i kartograf z IX wieku Żył w Bagdadzie, nosił przydomek pana tablic. Dzięki jego pracom na Bliskim Wschodzie zaczęto stosować pochodzący z Indii dziesiętny system liczenia i pozycyjny system zapisu liczb, które wkrótce dotarły do Europy Opisał pozycyjny system kodowania dziesiętnego i sztukę liczenia w tym systemie Stanowiło to początek sztuki wykonywania obliczeń pisanych, bo w stosowanym wcześniej systemie rzymskim pisane obliczenia były uciążliwe Współcześnie używane w krajach arabskich cyfry Al Chuwarizmi (ok. 780 ok. 850) 17
Kalkulatory mechaniczne W. Schickard zegar liczący (1623r.) 4 działania istnieją tylko repliki, na podstawie szkiców z listów, odnalezionych w latach 50 XX w B. Pascal Pascalina(1642 r.) zbudował w wieku 20 lat tylko dodawanie i odejmowanie G.W. Leibniz Żywa ława do obliczeń (1694r.) 4 działania Leibniz wprowadził system pozycyjny binarny do informatyki 18
Kalkulatory mechaniczne Maszyny Schickarda, Pascala i Leibniza wymagały od użytkownika manualnej pomocy w wielu czynnościach związanych z kolejnymi krokami obliczeń Za ich pomocą nie było jeszcze można w pełni automatycznie i w całości wykonać prostego działania na dwóch liczbach 19
Charles Babbage Astronom i matematyk pochodzenia brytyjskiego Był najwybitniejszym twórcą mechanicznych maszyn liczących przed erą elektroniczną W XIX wieku, doszedł tak blisko do rozwiązań stosowanych w Charles Babbage 1791-1871 komputerach, że dziś znany jest jako "ojciec" komputerów 20
Motywacja Babbage Rewolucja przemysłowa wiązała się z ekspansją na inne rynki podboje, podróże, finanse, ubezpieczenia Potrzebne były dokładne tablice logarytmów i innych funkcji Istniejące tablice zawierały olbrzymią ilość błędów w 40 tomach tablic znaleziono blisko 4000 błędów (John Herschel) Babbage zauważył, że wiele zadań matematycznych, takich jak chociażby tworzenie tablic, można wykonać przy pomocy maszyny Pierwsze urządzenie - maszyna różnicowa ( Difference Engine ), zbudowane według jego projektu technicznego napędzane było przez silnik parowy. Obliczała ona tablice logarytmów metodą różnic skończonych i zapisywała wynik na metalowej blaszce 21
Maszyna różnicowa W 1991 w Science Museum w Londynie wykonano wg oryginalnych planów fragment (arytmometr) Drugiej Maszyny Różnicowej, udowadniając poprawność konstrukcji 22
Maszyna analityczna Po dziesięciu latach zarzucił projekt, gdyż postanowił zbudować urządzenie uniwersalne (tzw. Maszyna analityczna), mogące rozwiązywać różnorodne zagadnienia matematyczne Maszyna analityczna, gdyby została zbudowana, byłaby pierwszym programowalnym komputerem Zasada jej działania była podobna do współczesnych komputerów cyfrowych z programowym sterowaniem przebiegu obliczeń Instrukcje miały być zapisywane na kartach dziurkowanych, obliczenia wykonywane przy użyciu pamięci operacyjnej, a rozwiązania drukowane na metalowej blaszce 23
Maszyna analityczna ogólnego przeznaczenia, 4 działania: +,, *, / pamięć magazyn, skład (store); procesor młyn (mill), program (zewnętrzny) na kartach perforowanych instrukcje: powtarzanie, warunkowe rozgałęzienia poruszana parą (steam engine) 24
Maszyna analityczna W projekcie uczestniczyła również kobieta, Ada Lovelace, zwana pierwszym programistą (-tką),której imię upamiętniono w informatyce nadając nazwę ADA jednemu z zaawansowanych współczesnych języków programowania W 1843 r. Ada Lovelace napisała na maszynę analityczną program do obliczania ciągu liczb Bernoulliego Z uwagi na ówczesny poziom techniki, pełna realizacja genialnego projektu maszyny analitycznej nie była możliwa Jednak w 1871 (tuż przed śmiercią Babbage), zmontowano fragment złożony z części młyna (procesora) oraz urządzenia drukującego 25
Początki przetwarzania danych XVIII-XIX w. najważniejszym obszarem przetwarzania danych w USA był spis powszechny dostarczający dane niezbędne do określenia składu Izby Reprezentantów Spis ludności USA miał być wykonywany co 10 lat Gwałtowny wzrost populacji: 1790: 3,9 mln 1840: 17,1 mln 1860: 31,4 mln Obliczanie spisu z 1880 roku trwało 8 lat, przewidywano, że spisu z 1890 roku nie policzy się przed następnym spisem!!! Administracja rządowa rozpisała konkurs na nowe urządzenie, które by zautomatyzowało prace przy spisie ludności 26
Maszyna tabulacyjna Herman Hollerithw 1890 wynalazł maszynę tabulacyjną. Służyła ona do wprowadzania, sortowania i podliczania danych Wzorując się na konduktorach kolei i krosnach Jacquarda: dane każdej osoby na karcie perforowanej automatyczny odczyt z kart: układu i dziurek druciki stykające się z ciekłą rtęcią: prąd płynie=> jest dziurka i konkretne dane Dzięki technice tabulacyjnej w 1890, wielkość populacji USA ponad 62 milionów! była znana po 6 tyg. Hollerithzałożył firmę Tabulating Machine Company (przekształcona później w firmę IBM) 27
Maszyna tabulacyjna 28
Architektura von Neumanna Architektura von Neumanna to rodzaj architektury komputera, przedstawionej po raz pierwszy w 1945 r. przez von Neumanna, a stworzonej wspólnie z Johnem W. Mauchly ym i Johnem Presper Eckertem. Inna spotykana nazwa: store-program computer (koncepcja przechowywania programu w pamięci operacyjnej) 29
Architektura von Neumanna Architektura von Neumana polega na ścisłym podziale komputera na trzy podstawowe części: procesor (w ramach którego wydzielona bywa część sterująca oraz część arytmetyczno-logiczna) pamięć komputera (zawierająca dane i sam program) urządzenia wejścia/wyjścia 30
Architektura von Neumanna Charakterystyka systemu komputerowego zbudowanego w oparciu o architekturę von Neumanna: skończona i funkcjonalnie pełna lista rozkazów możliwość wprowadzenia programu do systemu poprzez urządzenia zewnętrzne i jego przechowywanie w pamięci operacyjnej w sposób identyczny jak danych pamięć operacyjna składa się z pewnej liczby ponumerowanych komórek (numer nazywamy adresem) dostęp do pamięci następuje poprzez podanie przez procesor numeru komórki informacja jest przetwarzana dzięki sekwencyjnemu odczytywaniu instrukcji z pamięci operacyjnej komputera i wykonywaniu tych instrukcji w procesorze 31
Architektura von Neumanna Założenia architektury von Neumana pozwalają na przełączanie się systemu komputerowego z wykonania jednego zadania (programu) na inne bez fizycznej ingerencji w strukturę systemu, co gwarantuje jego uniwersalność 32
Czym jest komputer? Komputer to urządzenie, które przetwarza dane pod kontrolą programu Dane Komputer Wyniki Program 33
Generacja 0 komputery, w których zasadniczym elementem był przekaźnik elektromagnetyczny komputer MARK I (1944 r.) pod kierunkiem Aikena praca w systemie dziesiętnym 34
Generacja I Zastosowanie zamiast przekaźników lamp elektronowych spowodowało 1000-krotne zwiększenie prędkości działania komputer ENIAC (1945 r.) ElectronicNumericalIntegrator and Computer, twórcy: John W. Mauchly i Johnem P. Eckert dane do komputera wprowadza się z taśm, kart perforowanych lub dalekopisów realizowany jest jeden program napisany w języku wewnętrznym (kod 0,1) nie posiada systemu operacyjnego głównie do obliczeń naukowo-technicznych duża awaryjność 35
Generacja II zbudowane są na tranzystorach Tranzystor wynaleziony w 1947 został zastosowany w komputerach dopiero 11 lat później, w 1958 roku Już rok później firma Texas Instruments rozpoczęła prace nad stworzeniem układu scalonego, który miał swoją światową premierę w 1960 roku 36
Generacja II pojawienie się pamięci zewnętrznych (dyski magnetyczne, taśmy magnetyczne, bębny) wprowadzenie wieloprogramowości komputerów komputery wyposażone w system operacyjny wprowadzenie języków symbolicznych (języki pisane kodem 0, 1 zostały zastąpione symbolem) zwiększenie szybkości przetwarzania do 100 tysięcy operacji na sekundę 37
Generacja III oparte są na układach scalonych Pierwszy komputer na układach scalonych powstał w 1968 roku Już w roku 1969 firma Intel wykonała prototyp mikroprocesora, co było zwrotnym momentem w historii komputerów 38
Generacja III układy scalone: polski produkt- ODRA 1300 wieloprogramowość wieloprocesowość rozpowszechnienie pamięci dyskowych stosunkowo,,bogaty zestaw oprogramowania systemowego możliwość pisania programów w językach wyższego rzędu (symbole zastępuje się komendami w języku angielskim) tworzenie sieci komputerowych rozwój urządzeń zewnętrznych (peryferyjnych-do wprowadzania i wyprowadzania danych) szybkość wykonywania operacji wzrasta do 10 milionów działań na sekundę 39
Generacja IV oparte są na mikroprocesorach W 1976 roku Steve Woźniak i Steve Jobbs założyli firmę Apple Computers i rozpoczęli produkcję mikrokomputera Apple I. Od roku 1977 datuje się fantastyczny, żywiołowy rozwój mikrokomputerów. 40
Generacja V Rewolucja komputerowa ostatnich lat to przede wszystkim: miniaturyzacja sprzętu (mikrokomputery) zwiększanie możliwości obliczeniowych sprzętu (superkomputery) przetwarzanie równoległe Komputery V generacji łączą olbrzymią integrację układów z zaawansowanym przetwarzaniem włącznie ze sztuczną inteligencją i rozproszonym przetwarzaniem danych 41
Generacja VI nowe architektury neurokomputery, biokomputery, obliczenia przy pomocy DNA, komputery kwantowe technika sztucznej inteligencji, zmiany w architekturze systemu możliwość posługiwania się językiem naturalnym umiejętność wnioskowania i uczenia się przez maszynę poprzez wykorzystanie sieci neuronowych automatyczne pozyskiwanie wiedzy budowa komputerów oparta na trójwymiarowej konfiguracji struktur białkowych 42
Maszyna Trurla Cyberiada (1963 r.) Stanisława Lema Maszyna Trurla Konstruktor Trurl zbudował raz ośmiopiętrową maszynę rozumną [ ] i, bardzo zadowolony z siebie [ ], niejako z czczego obowiązku, rzucił sakramentalne pytanie, ile jest dwa razy dwa? Maszyna ruszyła. Najpierw zapaliły się jej lampy, zajaśniały obwody, zahuczały prądy jak wodospady [ ], zawirowało w niej, rozłomotało się, zadudniło i tak szedł na całą równinę hałas, aż Trurl pomyślał, że trzeba będzie sporządzić jej specjalny tłumik myślowy. Tymczasem maszyna wciąż pracowała, jakby przychodziło jej rozstrzygać najtrudniejszy problem w całym Kosmosie [ ]. Nareszcie, kiedy Trurlaporządnie już zniesmaczył taki rwetes, maszyna zahamowała gwałtownie i rzekła gromowym głosem: SIEDEM! 43
ZADANIA I KIERUNKI ROZWOJU WSPÓŁCZESNEJ INFORMATYKI
Kierunki współczesnej informatyki Algorytmika Bazy danych Grafika komputerowa Kryptografia Programowanie Inżynieria oprogramowania Systemy operacyjne Sieci komputerowe Sztuczna inteligencja 45
Ważne zagadnienia problem niezawodności oprogramowania, systemów komputerowych (inżynieria oprogramowania) zagadnienia związane z sieciami, z mobilnością fizyczną systemów oprogramowania. Z tym związane są problemy przekazywania danych, bezpieczeństwa, szyfrowania, kryptografii bogactwo danych i zarządzania nimi wydobycie prawdziwie użytecznej wiedzy 46
Technologia Informacyjne (IT) Dziedzina wiedzy obejmująca informatykę (włącznie ze sprzętem komputerowym oraz oprogramowaniem używanym do tworzenia, przesyłania, prezentowania i zabezpieczania informacji), telekomunikację i inne technologie związane z informacją Dostarcza ona użytkownikowi narzędzi, za pomocą których może on pozyskiwać informacje, selekcjonować je, analizować, przetwarzać, zarządzać i przekazywać innym ludziom 47
Społeczeństwo informacyjne Terminem określa się społeczeństwo, w którym towarem staje się informacja traktowana jako szczególne dobro niematerialne, równoważne lub cenniejsze nawet od dóbr materialnych Rozwój usług związanych z 3P (przesyłanie, przetwarzanie, przechowywanie informacji) 48