Podstawy informatyki dr inż. Izabela Szczęch Izabela.Szczech@cs.put.poznan.pl www.cs.put.poznan.pl/iszczech PP
Plan przedmiotu Wprowadzenie Komputerowa reprezentacja informacji znaków liczb obrazów Budowa i zasada działania komputera System operacyjny Aspekty etyczno-prawne związane z wytwarzaniem i użytkowaniem oprogramowania Bezpieczeństwo danych i systemów komputerowych 2
Literatura W. Sikorski; Wykłady z podstaw informatyki, Mikom Warszawa 2002 W. Duch, Fascynujący świat komputerów, Nakom, Poznań 1997 P. Skorupski, Podstawy budowy i działania komputerów, WKiŁ, Warszawa 1997 G. Brookshear, Informatyka w ogólnym zarysie, WNT, Warszawa, 2003 3
WPROWADZENIE Informatyka jako dziedzina naukowa Zarys historii informatyki Zadania i zastosowania informatyki Kierunki rozwoju współczesnej informatyki 4
Informatyka zajmuje się całokształtem przechowywania, przesyłania, przetwarzania i interpretowania informacji. Wyróżnia się w niej dwa działy, dotyczące sprzętu i oprogramowania. /Encyklopedia/ 5
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 informatique i niemieckie Informatik 6
Informatyka Informatykę można rozpatrywać jako: samodzielną dyscyplinę naukową narzędzie wykorzystywane przez inne nauki gałąź techniki przemysł wytwarzający sprzęt i oprogramowanie 7
Zarys historii informatyki 8
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 9
Pierwsze maszyny do obliczeń Chińczycy liczyli do 100 tys na jednej ręce i do 10 mld na obu! 10
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 11
Współczesne liczydła SUAN-PAN chińskie liczydło X-XIw, we współczesnej postaci na każdym pręcie znajduje się 7 żetonów, 5 dolnych odpowiada jednościom, a każdy górny liczbie 5. Kolejne pręty odpowiadają kolejnym pozycjom w systemie dziesiętnym 109 10905 1090587 SOROBAN Japońskie liczydło, XIXw; Cztery guziki na dole w każdym rzędzie służą do odkładania kolejnych jedności l, 2, 3 i 4 przez przesuwanie ich w kierunku środka. Przejście od 4 do 5 polega na cofnięciu czterech jedności na pozycje początkowe i przesunięcie górnego guzika do środka SZCZOTY rosyjskie liczydło wynalezione w XVIIw, 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 12 odznaczania czwartych części rubla i kopiejki
Współczesne liczydła SUAN-PAN obok PC Soroban w japońskiej szkole Szczoty na targu w Kijowie 13
Pierwszy algorytm Algorytm jest 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. Algorytmika to nauka o tworzeniu algorytmów. Za jej prekursora możemy uznać Euklidesa. 14
Algorytm Euklidesa 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
Wieki średnie Muhammad al-khwarizmi w IX w. opisał pozycyjny system kodowania dziesiętnego i sztukę liczenia w tym systemie. Al Chuwarizmi (ok. 780 ok. 850) Stanowiło to początek sztuki wykonywania obliczeń pisanych, bo w stosowanym wcześniej systemie rzymskim pisane obliczenia były uciążliwe algorytmiści - zwolennicy obliczeń pisanych, kalkulatorzy - wykonujący obliczenia na kamykach, abacyści - posługujący się liczydłami. 16
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 zbudował w wieku 20 lat (1642 r.) tylko dodawanie i odejmowanie G.W. Leibniz Żywa ława do obliczeń (1694r.) - 4 działania. Leibniz wprowadził system pozycyjny binarny do informatyki 17
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. 18
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 komputerach, że dziś znany jest jako "ojciec" komputerów 19
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) 20
Motywacja Babbage 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. Po dziesięciu latach zarzucił projekt, gdyż postanowił zbudować urządzenie uniwersalne (tzw. Maszyna Analityczna), mogące rozwiązywać różnorodne zagadnienia matematyczne. 21
Maszyna analityczna 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. Z uwagi na ówczesny poziom techniki, pełna realizacja tego genialnego projektu nie była możliwa. 22
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) nigdy jej nie skonstruowano, jednak w 1871 (tuż przed śmiercią Babbage), zmontowano fragment złożony z części młyna (procesora) oraz urządzenia drukującego 23
W 1991 w Science Museum w Londynie wykonano wg oryginalnych planów fragment (arytmometr) Drugiej Maszyny Różnicowej, udowadniając poprawność konstrukcji 24
Początki przetwarzania danych XVIII-XIX w. najważniejszym obszarem przetwarzania danych w USA spis powszechny dostarczający dane niezbędne do określenia składu Izby Reprezentantów Spis ludności USA miał był 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. 25
Maszyna tabulacyjna Herman Hollerith w 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 Dzięki technice tabulacyjnej w 1890,wielkość populacji USA ponad 62 milionów! była znana po 6 tyg. Hollerith założył firmę Tabulating Machine Company (przekształcona później w firmę IBM) 26
Maszyna tabulacyjna 27
Architektura von Neumana Architektura von Neumanna to rodzaj architektury komputera, przedstawionej po raz pierwszy w 1945 roku 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) 28
Architektura von Neumana 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 29
Architektura von Neumana 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 30
Architektura von Neumana 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 31
O komputerze Komputer to urządzenie, które przetwarza dane pod kontrolą programu DANE KOMPUTER WYNIKI PROGRAM 32
Generacja 0 komputery, w których zasadniczym elementem był przekaźnik elektromagnetyczny komputer MARK I, praca w systemie dziesiętnym 33
Generacja I Zastosowanie zamiast przekaźników lamp elektronowych spowodowało 1000-krotne zwiększenie prędkości działania W czasie II Wojny Światowej prace w USA były prowadzone przez dwa ośrodki: Bell Telephone, gdzie wybudowano model V oparty na 9000 przekaźnikach, IBM gdzie skonstruowano w 1944 pod kierunkiem Aikena model MARK-1 34
Generacja I komputer ENIAC, 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 połączą 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
Zadania i kierunki rozwoju współczesnej informatyki 43
Kierunki współczesnej informatyki Algorytmika Bazy danych Grafika komputerowa Kryptografia Programowanie Inżynieria oprogramowania Systemy operacyjne Sieci komputerowe Sztuczna inteligencja 44
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 45
Technologia Informacyjna (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. 46
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). 47
48