История развития вычислительной техники, программного обеспечения, информационных систем и автоматизированных систем управления

2.1. ВТ в докомпьютерную эпоху.

Счётная техника в истории человечества известна задолго до изобретения компьютеров. Абак(а) - в Древней Греции, счёты - в Китае, Японии, России, арифмометры (Б. Паскаль, Г. В. Лейбниц), логарифмическая линейка, калькулятор - далеко не полный перечень счётных устройств и приспособлений, изобретённых и использованных в разных странах и на разных континентах.

2.2. Компьютер - история идей и их реализаций.

Общепризнано, что идея универсального счётчика - компьютера - впервые пришла в голову англичанину Чарльзу Бэббиджу в 20-х гг. ХIХ в. В 30-е гг. ХIХ в. Бэббидж создал вначале разностную машину для вычисления многочленов (до 6-й степени), а затем универсальную аналитическую машину, в которой были предусмотрены "склад" (память), "мельница" (процессор), программное управление (с помощью перфокарт француза Жаккара В отечественной литературе прижилась транскрипция "Жаккард". ). Обе машины создавались на механических элементах, что было крайне сложно даже по современным меркам, не говоря уже об уровне механических технологий того времени. А электрические и, тем более, электронные технологии в начале ХIХ в. ещё не существовали. Из-за сложности реализации Бэббидж так и не смог закончить свою аналитическую машину. Идеи Бэббиджа опередили своё время. Ими увлеклась Ада Аугуста Лавлейс - графиня, дочь Дж. Г. Байрона. Считается, что именно она написала первую в мире компьютерную программу (для вычисления чисел Я. Бернулли на машине Бэббиджа).

В течение ХIХ в. идеи Бэббиджа нашли последователей в Англии и Швеции. Но лишь примерно через 100 лет были созданы первые компьютеры на электрических элементах - электромеханических реле (30 - 40 гг. ХХ в.). Пионерами здесь были немцы и американцы.

В 1943 г. в США появился первый компьютер на электронных элементах - электронных вакуумных лампах (Дж. Моучли, П. Эккерт).

Расчёты (полезное машинное время) занимали секунды, минуты, а в течение часов и дней компьютер простаивал, так как много времени занимала подготовка к работе (набор программ методом коммутации с помощью штекеров, ремонт и др.).

Для повышения эффективности компьютера были привлечены учёные, в частности, группа под руководством известного математика Дж. фон Неймана. Эта группа в 1945 г. опубликовала доклад, в котором были изложены передовые на то время принципы построения и работы компьютера.

Эти принципы обусловили развитие ВТ практически в течение всего ХХ в. Соответственно, компьютеры, построенные по этим принципам (их три), стали называть "неймановскими машинами". Основные принципы работы неймановской машины:

К особенностям "неймановской машины" относятся также монопрограммность и монопроцессорность (одноядерность). Группа фон Неймана в своей концепции исходила из аналогии свойств предлагаемого компьютера и свойств нормального человеческого мозга, который одновременно способен решать только одну задачу (один мозг - один процессор, одна задача - одна программа) Одновременно решать несколько интеллектуальных задач способны лишь немногие люди. Например, по легенде такой способностью обладал Гай Юлий Цезарь. Мультипрограммность и мультипроцессорность, многоядерность были реализованы уже вне неймановской концепции. .

Первая "неймановская машина" была создана в 1949 г. (М. Уилкс, Великобритания).

2.3. Электронная вычислительная машина (ЭВМ).

В Советском Союзе в 30-50-е гг. ХХ в. проблематика ВТ и ПО была под государственным запретом, как "буржуазная лженаука" (наряду с кибернетикой, генетикой и др.). Поэтому компьютер в нашей стране появился с некоторой задержкой относительно Запада, тем более что из-за запрета учёным и инженерам, увлечённым идеей компьютера, приходилось работать в полуподпольных лабораториях, прикрывавшихся "пристойными" (по государственным меркам) вывесками. Слово "компьютер" отдавало заграницей, к которой в ту пору относились подозрительно в нашей стране, живущей за "железным занавесом". Для обозначения новой техники стали использовать более привычное "советскому человеку" название "электронная вычислительная машина" (ЭВМ).

Работа над первой отечественной ЭВМ началась в 1947 г. под руководством С.А. Лебедева, а создана она была в начале 50-х гг. под названием МЭСМ (малая электронная счётная машина). В начале 60-х гг. появилась БЭСМ-1 (руководитель разработки всё тот же С.А. Лебедев), затем последовательно - БЭСМ-2, М-20, БЭСМ-3, БЭСМ-4, М-220, М-222, БЭСМ-6 и др. Созданные в СССР ЭВМ были не хуже западных компьютеров, а по многим параметрам даже превосходили их. Но затем по ряду обстоятельств (в основном, экономического характера) был взят курс на свёртывание производства отечественных ЭВМ, копирование западных компьютеров в виде единой серии ЭВМ (ЕС ЭВМ). До сих пор практика копирования и закупки зарубежных образцов ВТ и ПО продолжается нам же самим в ущерб. "Догнать и перегнать Запад", как того требовала власть - при такой стратегии развития ВТ и ПО оказалось не под силу в ХХ в., будет невозможно и впредь, если не развивать собственное производство на основе отечественных разработок.

2.4. Поколения компьютеров (ЭВМ).

Поколения компьютеров, как и поколения людей, пересекаются во времени - в одно и то же время существуют компьютеры - "дедушки", "дети" и "внуки". Время жизни одного поколения компьютеров в ХХ в. - примерно 20-30 лет. За время от создания компьютеров 1-го поколения до настоящего времени можно говорить о шести поколениях (по некоторым данным - о пяти), табл. 2.1.

Таким образом, поколения компьютеров отличаются друг от друга элементной базой, программным обеспечением, используемыми данными, интерфейсом и типажом компьютеров. Эти признаки являются основными, но можно использовать (в дополнение к ним) и другие признаки, более тонкие (например, выполняемые функции, подключаемые периферийные устройства, производительность, потребляемая мощность и др.).

2.5. Этапы развития ПО.

Как следует из табл. 2.1, программное обеспечение ВТ начиналось с представления команд и данных в машинном коде, каким до настоящего времени является двоичный код. Это не значит, что двоичный код оптимален во всех смыслах, но он оказался наиболее простым и надёжным для импульсных устройств компьютера, что совсем немаловажно. Поэтому двоичный код и используется в качестве языка, понятного компьютеру (в алфавите кода всего два символа - 0 и 1, из которых, тем не менее, комбинируются любые закодированные "машинные слова").

Двоичный язык непонятен подавляющему большинству людей, поэтому двоичные команды стали представлять в более "читабельном" (для человека-программиста) буквенно-цифровом виде Заметим, что программы пишутся не столько для машин, сколько для людей. . Так появился мнемокод.

В компьютерах 2-го поколения микрокоманды стали объединять в блоки - ассемблировать (собирать). Появился ассемблер (сборщик). Двоичный код, мнемокод, ассемблер - это машинно-зависимые языки. Их достоинство - ориентируясь на систему команд и адресации конкретной машины, эти языки максимально используют возможности данной машины. Но чтобы использовать машинно-зависимую программу на другой машине, надо быть уверенным, что система команд и адресации на второй машине абсолютно такая же, как и на первой машине. Если это не так, программа не сработает - её надо адаптировать под другую машину (эмулировать). Как следствие, появились алгоритмические машинно-независимые языки. Программы, написанные на этих языках, работали на любой машине, где можно было использовать транслятор (переводчик) с алгоритмического языка в двоичный код машины. Достоинство алгоритмического языка - в его универсальности; программисту не нужно знать досконально систему команд и адресации конкретных компьютеров - достаточно знать язык. Платой за такую универсальность (машинно-независимость) программ стало неполное использование возможностей конкретного компьютера. Сознавая это, разработчики ПО, наряду с алгоритмическими языками и их трансляторами, оставили ассемблеры в составе ПО, исходя из потребностей тех программистов, которые писали наиболее эффективные программы для конкретных машин (кстати, для ассемблера тоже нужен транслятор). Первым алгоритмическим языком считается Фортран - Fortran (Formula translator) - 1954 г. Не менее Фортрана были популярны Algol (Algorithmic language) - 1960 г., BASIC, PL/1 (1964), Pascal (1970), С (1972), C++ (1985).

Алгоритмические языки называют также языками высокого уровня, так как они близки к человеческой речи (в отличие от машинно-зависимых языков низкого уровня). Международный язык программирования - английский как исторически обусловленная дань уважения к англо-американским "пионерам" программирования.

Системы программирования на разных языках и трансляторы, изобретение периферийных и новых системных аппаратных средств потребовали диспетчеризации - комплексного управления аппаратурой и программным обеспечением. Так в компьютерах 2-го поколения появились первые операционные системы (ОС), предназначенные для диспетчерских функций. Появились автономные утилиты - вспомогательные (служебные) программы управления, но не в составе ОС, а отдельно от неё. В отличие от ОС, поставляемой централизованно, автономные утилиты приобретались индивидуально - по желанию пользователя, по необходимости.

Стандартные программы, часто используемые для решения сходных задач, например, в вычислительной (прикладной) математике, стали объединять в библиотеки программ, распространяемые подобно книжным изданиям, затем в пакеты прикладных программ (ППП), поставляемые централизованно вместе с приобретением компьютера (3, 4-го поколений).

С распространением ПК и прочих мобильных компьютеров стало заманчивой идеей объединить их в миниатюрные цифровые системы связи, тем более что сетевые технологии уже были известны с 60-х гг. ХХ в. (вначале они назывались многотерминальными и многомашинными комплексами; сеть ARPA, от которой произошел Интернет, начала эксплуатироваться в 1969 г.)

В компьютеры 4-го поколения были внедрены локальные, а затем и глобальные сетевые технологии, потребовавшие как аппаратного, так и программного обеспечения. Все последующие поколения компьютеров уже не мыслятся вне сетей. Можно провести аналогию с человеческим обществом: когда-то люди, если и перемещались в пространстве, то на небольшие расстояния. Но затем, с появлением транспортных средств и транспортных сетей люди стали перемещаться чуть ли не по всему земному шару, а "домоседы" - это скорее исключения, чем правило. Аналогично автономные компьютеры - чаще всего "домоседы", хотя и существуют давно "домовые" сети.

Наконец, на современном этапе появились информационные технологии и системы искусственного интеллекта. Информационная технология - это программно-технический комплекс, предназначенный для обработки информации (в широком смысле). Можно считать, что информационная технология в своей программной части есть осовремененное название прежних ППП и библиотек программ. Границы между ними весьма условны. Например, Microsoft Office, Open Office, с одной стороны, можно назвать пакетами прикладных программ, в которых, действительно, собраны разные стандартные программы - текстовые и графические редакторы, табличный процессор и СУБД (система управления базой данных), мастер презентаций и органайзер. В свою очередь, каждая из этих программ на самом деле содержит комплекс (под)программ и может считаться самостоятельным пакетом. С другой стороны, указанные комплексы программ предназначены для обработки любой информации, используемой в офисах, и поэтому вполне обоснованно могут считаться офисными информационными технологиями MS Office, Open Office, поставляемыми с персональными компьютерами.

Программное обеспечение, известное как "искусственный интеллект", сегодня, что называется, "на слуху", но возникло оно гораздо раньше. Многие ОС прошлого выполняли весьма интеллектуальные операции с файловой системой и хранимыми программами. Искусственный интеллект, согласно многим экспертным оценкам, составит ядро будущего ПО. История и проблемы развития искусственного интеллекта заслуживают отдельного рассмотрения (см. тему 4).

Программное обеспечение нейрокомпьютеров, биокомпьютеров и квантовых компьютеров, которые, по прогнозам, будут реализованы в обозримом будущем, пока не вышло из стадии исследований, опытных образцов и даже идей. Реально о его внедрении можно говорить лишь с появлением серийных аппаратно-программных средств. А между опытными образцами и серией - дистанция огромного размера, как между новациями и инновациями.

2.6. Информационные системы и технологии - основные понятия и история развития.

Система - целостная совокупность взаимосвязанных объектов, подчинённых общей цели; технология - целостная совокупность способов (приёмов) обработки материалов и изготовления продуктов. Таковы часто встречающиеся определения понятий системы и технологии безотносительно к областям их применения. Из этих определений следует, что понятие информационной системы ближе к аппаратуре, а понятие информационной технологии ближе к совокупности команд, т.е. к программе. Но однозначной границы между информационными системами и технологиями провести невозможно, так как информационная техника (аппаратура) неработоспособна без программ, а программы сами по себе не нужны без информационной техники. Поэтому под информационной системой можно подразумевать аппаратно-программный комплекс обработки информации, а под информационной технологией - программно-аппаратный комплекс, предназначенный для тех же целей. Иными словами, речь идёт об одном и том же комплексе, только в разных понятиях.

История развития информационных комплексов (систем, технологий), соответственно, есть история развития ВТ и ПО, ориентировочно начиная с 80-х гг. ХХ в., так как до этого времени понятия информационных систем и технологий в общеупотребительном смысле ещё не были известны.

Информационные системы (ИС) и технологии (ИТ - IT) дали толчок развитию ИТ(IT)-бизнеса - начиная с 1981 г., когда фирма IBM официально представила на рынок серийный ПК IBM PC. Принципиальной особенностью IBM PC, по сравнению с ПК и микрокомпьютерами других фирм, стал принцип "открытой архитектуры". Согласно этому принципу IBM не стала защищать конструкцию ПК патентами, как делали фирмы-конкуренты, а, наоборот, сделала ПК разъемным блоком, а его конструкцию доступной любому пользователю, который мог изменять эту конструкцию по своему усмотрению, за исключением "ядра" - микропроцессора, минимальной памяти. Успех был потрясающий, рынок сразу сориентировался на IBM PC, хотя IBM и потеряла возможность единолично пользоваться плодами своего успеха. Такова была стратегия разумного бизнеса - популярность IBM PC и его "клонов", стоивших дешевле американского оригинала, создала рыночный бум, в результате которого IBM выиграла финансово (за счёт небывалого роста количества продаж дешёвых ПК) и подняла свой престиж. Принцип открытой архитектуры привёл к независимости качества ПК от места сборки ("белая", "жёлтая", "красная", "чёрная" сборка) - главным здесь были качество комплектующих деталей, чипов и тщательность тестирования ПК. Вместе с IBM стали процветать и фирмы Microsoft (Б. Гейтс, П. Аллен и др.) - разработчик ПО для IBM PC - и Intel - поставщик комплектующих для IBM PC.

Параллельно с IBM PC усилиями С. Джобса, С. Возняка, Дж. Раскина и др. развивалась "ветвь" ПК Apple-Macintosh ("Маки"): сборка - Apple Computers, ПО - Sun Microsystems, комплектующие - Motorola. В СССР ПК Apple-Macintosh не распространялись, так как США наложили запрет на этот класс машин как стратегический товар.

IBM PC разработаны для научно-инженерных расчетов, а "Маки" - для образования, издательской деятельности, мультимедиа, поэтому широкое использование IBM PC в нашей стране, скорее, вынуждено обстоятельствами (других типов машин слишком мало), чем потребностями дела. Так, использование IBM PC в образовании позволяет реализовать не более 10% потенциальных возможностей этого ПК. В результате наша экономика терпит значительные убытки из-за эксплуатации относительно дорогих и мощных машин там, где можно было бы обойтись маломощными и, соответственно, дешёвыми ПК. Такова "проза жизни" не только в нашей стране. Фирмам IBM, Microsoft, Intel всё это хорошо известно, поэтому в течение 80-90-х гг. на рынке появлялись всё более дешёвые компьютеры. Удешевление ПК стало нормой компьютерного рынка (в отличие от практики продаж других товаров). Это способствовало увеличению количества продаж и в целом - общему выигрышу - и пользователей, и разработчиков.

Современный ПК - это в полном смысле информационная система и одновременно информационная технология.

Систематизируем основные особенности ИТ-бизнеса:

Начиная с 80-х гг. ХХ в. в развитии ПО наметился переход от использования алгоритмических языков к автоматизации программирования (программной инженерии). Появились системы визуального (Visual) программирования (с графическим интерфейсом, удобным для создания сложных программных продуктов).

Одновременно наметилась тенденция исключить программиста из триады "пользователь -> программист -> компьютер". Использование программ стало доступным самим пользователям, что существенно снизило издержки времени (и других ресурсов) - от постановки задачи до результатов её решения. Ведь чтобы пользоваться молотком, телевизором или самолётом, не обязательно знать, как они устроены. Главное, чтобы инструмент (техника) был надёжный и доступный. Аналогично "юзер" может пользоваться стандартными (под)программами (макрокомандами - макросами), зная только их "вход-выход", но не зная содержания. Ориентация на конечного пользователя - это своеобразная реализация принципа открытой архитектуры в программировании. Так в современных информационных системах и технологиях сошлись воедино здравые идеи (принципы) разработки аппаратных и программных средств.

Как отмечалось выше, операционные системы, начиная с компьютеров 4-го поколения, и в настоящее время развиваются в направлении интеллектуализации и ориентации всё на того же конечного пользователя, т.е. в направлении всё большей комфортности интерфейса (графические и речевые интерфейсы WIMP и SILK - см. табл. 2.1). Таковы ОС Windows, Linux, MacOS (Macintosh) и др.

Конечно, нельзя обойти вниманием и столь популярные сетевые информационные технологии, которым тоже свойственна интеллектуализация и стремление удовлетворить как можно больше запросов пользователей сетей. Таковы тенденции как в локальных, так и в глобальных сетевых технологиях. Еще один важный класс сетей - корпоративные сети, возникшие практически одновременно с глобальными сетями (конец 60-х гг. ХХ в., сети General Electric, Cybernet и др.). Корпоративные сети (интрасети) локализованы в рамках транснациональных корпораций, объединений, служб, фирм, сетевых сообществ и т.п., но используют для коммуникаций глобальные сети. Таковы сети Intranet, Extranet, любительская сеть Fidonet. Например, фирма Intel имеет предприятия практически на всех континентах, используя для коммуникации между ними Internet, но доступ к соответствующим каналам связи имеют только сотрудники фирмы и доверенные пользователи. Свободного доступа к этим каналам нет - надо знать пароли и др.

Впрочем, для хакеров (hacker) такая проблема может и не существовать - ведь у них глубина проникновения в закрытые сети есть признак, с позволения сказать, "спортивного успеха". Особой "популярностью" у хакеров в этом смысле пользуются корпоративные сети Пентагона, космических агентств, банковских структур и др. Хакеры ответственны и за "инфицирование" сетей опасными компьютерными вирусами, которые способны поразить любой компьютер, подключённый к инфицированной сети. Следует понимать, что хакеры бывают разные. Вообще-то хакер - это пользователь, досконально знающий информационные системы и технологии и умеющий использовать их на практике. Что же в этом плохого? Хакер - уважаемый человек в компьютерном сообществе. Другое дело, если хакер превращается во "взломщика" компьютеров и сетей, то есть в кракера (от cracker (англ.) - щипцы для колки орехов). Кракер - нарушитель законов и поэтому подлежит преследованию, как преступник, со стороны властей и добропорядочных пользователей.

Большое развитие в мире получил также класс домовых сетей как разновидности локальных сетей.

История развития "русского Интернета" - Рунета - началась в 1990 г. (регистрация домена SU - Soviet Union). В 1991г. - первый оператор интерактивного доступа ГласНет, в 1993 г. - первая книга об Интернете на русском языке. В 1994 г. в Интернете регистрируется домен Ru (Russia). В 1995 г. - первые off-line сайты, в 1996 г. - первый поисковый сервер Rambler, в 1998 г. - проявление интереса к Интернету со стороны государственной власти (в лице ФСБ). В 2006 г. в Рунете появились блоги (на сайтах News, Yandex), в 2009 г. зарегистрирован кириллический домен РФ (Российская Федерация).

2.7. АСУ - основные понятия и история развития.

АСУ - автоматизированная система управления (с участием человека). Не надо путать АСУ с автоматической системой управления, в которой "человеческое звено" отсутствует. АСУ появились давно, в первую очередь, в военной технике (управление ракетами, самолётами, роботами - 50 - 60 гг. ХХ в.). Затем АСУ были внедрены в промышленность и административные службы - АСУП (АСУ производством), АСУТП (АСУ технологическими процессами), АСОУ (АС организационного управления), ОГАС (общегосударственная АС) и др. "Бум" АСУ пришелся на 60-70 гг., когда многие эксперты предсказывали АСУ широкие перспективы. Властные структуры всех стран откликнулись вложением огромных материально-финансовых ресурсов в развитие АСУ, особенно в нашей стране, следующей принципам "догнать и перегнать" и "советское - значит лучшее". Но АСУ не оправдали радужных надежд - их эффективность оставалась крайне низкой - во-первых, из-за "человеческого фактора" (низкой производительности человеческого звена), во-вторых, из-за "информационного фактора".

Последнее требует объяснения. Дело в том, что АСУ - это детище кибернетики - науки об управлении и связи в животном и машине - так определил кибернетику её основоположник Н. Винер (США, 1948 г.). Одно из основных положений кибернетики гласит, что любое управление начинается с информации. А об информации Н. Винер сказал в своей "Кибернетике": "Информация есть информация, а не материя и не энергия". К сожалению, при главенстве в умах людей того времени материалистической парадигмы это предупреждение учёного не было услышано, и развитие АСУ полагалось сугубо материалистической задачей. Но нематериальная природа информации дала себя знать, и материалистическое (ресурсозатратное) развитие АСУ потерпело фиаско, поэтому начиная с 80-х гг. ХХ в. интерес к АСУ упал.

Но актуальность АСУТП в промышленности и военном деле, особенно с широким внедрением компьютеров, осталась. Проблема АСУТП - управление процессами в режиме реального времени (по ходу процесса), поэтому не все стандартные ОС компьютеров, включённых в АСУТП, пригодны к использованию, как и самодельные медлительные информационные системы, запрограммированные на языках высокого уровня. Для АСУТП оказалось более целесообразным создавать специфичные ОС реального времени, запрограммированные на машинно-зависимых языках низкого уровня или на разновидностях машинно-независимых языков, в которых предусмотрены ассемблерные вставки.

В настоящее время вместо понятия "АСУ" чаще используют понятия "информационная система", "информационная технология", "экспертная система", "СУБД". Идеи АСУ заложены в разработку цифровых тренажеров - автоматизированных обучающих систем (АОС), автоматизированных систем научных исследования (АСНИ), автоматизированного рабочего места (АРМ), систем автоматизированного проектирования (САПР) и др. Слабым местом всех АСУ и "клонов" остаётся человеческий фактор и не только в смысле производительности и надёжности (система, зависящая от надёжности человека, ненадёжна), но и в смысле психологического противодействия человека самой идее автоматизации.

2.8. Общие замечания.

Описать на нескольких страницах сложную историю развития аппаратно-программных средств информационных систем и технологий нереально. В данной теме не рассмотрены, например, японский проект компьютеров пятого поколения и его судьба, история микропроцессоров и вообще микроминиатюризации ВТ, история многопроцессорных суперкомпьютеров, история ВТ, применяемой вне привычных компьютеров (бортовые, медицинские, бытовые, робототехнические и т.п. системы). Типаж компьютеров 6-го поколения в теме не определён (см. табл. 2.1), хотя имеются единичные экземпляры (образцы) таких машин (нейрокомпьютеры, биокомпьютеры, квантовые компьютеры, сверхпроизводительные суперкомпьютеры). Но повторяем, продукт должен дойти до серийного промышленного производства и быть выставленным на рынок, чтобы предметно говорить о внедрении. О перспективных компьютерах см. тему 5.

Рассмотренная выше история развития программного обеспечения не охватывает историю алгоритмов (понятия алгоритма, проблем создания и тестирования алгоритмов, их взаимодействия с программами, проблемы алгоритмической сложности и др.). Заметим только, что любая программа содержательно реализует именно алгоритм, имеющий первостепенное значение в программировании, а форма программы (язык, код) здесь второстепенна. Впрочем, полагаем, что вопросы алгоритмизации следует изучать в курсе информатики. В истории развития ПО важное место занимают структурное, объектно-ориентированное, кластерное, параллельное, многопоточное и др. виды программирования. Надеемся, что при изучении информатики и программирования им уделяется должное внимание.

Некоторым оправданием является вынесение отдельных вопросов и проблем истории развития ВТ, ПО, информационных систем и АСУ в темы студенческих рефератов (см. приложение 1), а также в лекции, для которых данное учебное пособие - всего лишь руководство к действию, но не догма. Автор уповает на любознательность студентов, не ведающую границ и запретных тем, на их пытливый разум, не отягощённый догмами и мнениями авторитетов, на неповторимость и свежесть их мировосприятия, уверенность в своих возможностях и, если угодно, дерзновение, что свойственно юности и молодости.

Вопросы для самостоятельной работы и самоконтроля