ФОРМУЛЫ ПРОПУЩЕНЫ, BOЗМOЖНЫ OШИБКИ, СВЕРЯЙТЕ С ОРИГИНАЛОМ
До самого последнего времени программирование для электронных вычислительных машин (ЭВМ) было занятием для взрослых. Это не значит, что о программировании не писали для школьников. Тем не менее и несколько страниц учебника, и пособия для факультативов, и популярные брошюры лишь приоткрывали завесу над этим таинственным делом, а если материал изучался развернуто, то это делалось по-взрослому, решительно выводя читателя за пределы школьной обстановки.
Книга Г. А. Звенигородского в этом смысле обладает рядом особенностей. Во-первых, это первая известная мне книга по программированию, написанная специально для подростков пятых — восьмых классов, то есть возрастной группы, с которой до сих пор серьезного разговора об ЭВМ и программировании не вели. Во-вторых, она описывает работу на ЭВМ так, как будто машина находится в постоянной доступности читателю и даже является чуть ли не персональным его партнером. Все это еще пару лет назад побудило бы многих, особенно из взрослых читателей, подумать, что и выбранный подход к изложению, да и сама книга в целом опережают свое время.
Тем временем было опубликовано постановление о проведении школьной реформы, в которой среди пяти важнейших направлений повышения качества учебно-воспитательного процесса было названо следующее:
— вооружать учащихся знаниями и навыками использования современной вычислительной техники, обеспечить широкое применение компьютеров в учебном процессе, создавать для этого специальные школьные и межшкольные кабинеты».
Соответствие положениям школьной реформы придает большую актуальность этой книге. В ее основе лежит исследование, начатое ес автором более десяти лет назад в харьковском Дворце пионеров и продолженное затем в Сибирском отделении Академии наук СССР. Целью этого перспективного исследования было найти формы и средства обучения основам программирования в условиях широкого внедрения ЭВМ в школьное образование, имея в виду подготовку подрастающего поколения к тому уже не очень далекому будущему, когда компьютеры станут принадлежностью практически каждого рабочего места.
Через школу Г. А. Звенигородского прошла не одна сотня ребят всех школьных возрастов. .Некоторые из них, невзирая на молодость, уже стали первоклассными программистами. Тем не менее методологические положения этой книги еще далеки от того, чтобы восприниматься как незыблемая педагогическая доктрина. И поэтому, хотя обучение основам программирования средних и младших школьников уже в значительной степени подготовлено развитием информатики и психологии обучения, только практика и эксперимент смогут вооружить нас полным знанием, необходимым для реализации положений школьной реформы при подготовке выпускников общеобразовательной и профессиональной школы к широкому и повседневному применению современной вычислительной техники.
Когда эта книга уже была подготовлена для сдачи в производство, ее автор, младший научный сотрудник Вычислительного центра Сибирского отделения АН СССР Геннадий Анатольевич Звенигородский, скончался на 33-м году жизни от внезапной тяжелой болезни. Он не дожил нескольких месяцев до завершения возглавляемой им разработки системы Школьница, которая воплощает подход к программированию, описанный в этой книге.
Хорошие книги переживают своих авторов. В данном случае это высказывание звучит трагически буквально. Хотел бы добавить, что эта публикация воплощает лучшие черты таланта ее автора — способность к прямому и стимулирующему общению с учащейся молодежью, увлекательность, не грешащая против строгости, энтузиазм в изложении новых фактов и явлений, неизбежно передающийся читателю и раскрывающий перед ним по-истине бескрайний мир программирования и решения задач на ЭВМ.
А. П. Ершов
В основу этой книги положены материалы Заочной школы программирования, публиковавшиеся в журнале «Квант» начиная с 9 за 1979 год, и учебного пособия «Основные понятия программирования», выпускавшегося Новосибирским университетом для районной школы юных программистов в 1978 и 1979 годах.
Книга адресована прежде всего школьникам пятых — восьмых классов, желающим познакомиться с элементарными основами современного программирования. Она может быть полезна и старшеклассникам, учащимся профессионально-технических училищ и межшкольных учебно-производственных комбинатов и другим категориям читателей. Для таких читателей стиль книги может показаться несколько упрощенным, а темп изложения — чересчур замедленным, за что автор заранее просит у них прощения.
От читателя не требуется никаких специальных знаний и умений, выходящих за рамки программы первых четырех классов средней школы. Впрочем, некоторая доля игрового воображения может оказаться очень полезной, но на недостаток этого качества школьники жалуются редко.
Отдельные задачи, предназначенные только для старшеклассников, отмечены звездочкой. Вспомогательный материал, который при первом чтении можно пропустить, набран мелким шрифтом.
Эта книга — не учебник, но она не предназначена и для развлекательного чтения. Возможно, дочитав последнюю главу этой книги, будут разочарованы те школьники, которые хотели бы сразу научиться составлять программы для решения школьных задач по математике и по другим предметам. Для таких читателей нужна другая книга, которая помогала бы им сделать следующий шаг в освоении вычислительной техники. А эта книга предназначена для тех, кто хочет на простых примерах подготовиться к решению настоящих, больших и сложных задач на современных вычислительных машинах. Книга может быть использована и для организации кружковых занятий со школьниками любого возраста. Как показывает опыт Харьковской и Новосибирской Школ юных программистов, материал первых уроков доступен ученикам вторых — третьих классов, занимающихся под руководством преподавателя.
Несколько замечаний для профессиональных программистов и преподавателей программирования. Изложение в этой книге ведется на примере учебного языка Робик — одного из входных языков системы программирования Школьница, разработанной автором в Вычислительном центре Сибирского отделения АН СССР и реализованной под его руководством на персональных ЭВМ Агат, предназначенных для использования в. школах и других учебных заведениях.
Реализация системы в короткие сроки осуществлена молодежным коллективом, основу которого составили студенты Новосибирского университета Н. Г. Глаголева, Е. В. Налимов и В. А. Цикоза и школьники П. А. Земцов (9 класс) и J1. Р. Рабинович (7 класс). Все они учились программированию по методике, изложенной в этой книге. А всего по этой методике к началу 1984 года обучалось свыше трех тысяч школьников.
На структуре этой книги сказались, разумеется, и теоретические концепции, которых придерживается автор, и его оценка тех или иных языков.
Структура языка Робик и общая методика изложения, принятая в книге, подводят читателя к некоторой дисциплине программирования, которую легко реализовать на таких языках, как Рапира и сетл, несколько труднее на паскале или алголе-68 и очень трудно на бейсике или фортране. Из разнообразных конструкций современных языков программирования на первый план выдвинуты процедуры, существенно позже излагаются циклы и ветвления, полностью исключены из рассмотрения операторы перехода и блок-схемы.
Чтобы компенсировать некоторую потерю наглядности, связанную с исключением блок-схем, подробно рассматриваются синтаксические диаграммы в качестве средства описания синтаксиса.
Разумеется, на том же материале возможны и другие методические схемы: например, циклы и ветвления могут быть рассмотрены раньше процедур.
Г. А. Звенигородский
МИР РОБОТОВ И ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН
В середине двадцатого века произошли события, от которых начинается отсчет эры освоения космоса и мирного использования атомной энергии.
4 октября 1957 года по всем радиостанциям Советского Союза было передано сообщение ТАСС о запуске первого в мире искусственного спутника Земли. Наш космический первенец сразу же приобрел такую популярность, что лингвисты отметили редчайшее явление: буквально в течение одного дня в языки многих народов вошло новое слово русского происхождения — слово «спутник».
27 июня 1954 года в городе Обнинске Калужской области начала работать первая в мире атомная электростанция. Все газеты сообщали: энергия атомного ядра впервые обрела мирную профессию, и каждому было ясно, какие перспективы это открывает перед человечеством.
А вот о событии, которое произошло 25 декабря 1951 года, известно меньше. Да и сегодня, наверное, только специалисты понимают, как много значил этот день и для космонавтики, и для ядерной физики, и для многих других отраслей. В этот день в Институте электротехники Академии наук Украинской ССР вступила в строй МЭСМ — первая в СССР электронная вычислительная машина (ЭВМ), разработанная под руководством академика Сергея Алексеевича Лебедева.
Что оиа умела? Несмотря на скромное название (МЭСМ означает Малая Электронно-Счетная Машина), выглядела она довольно внушительно. Машина занимала площадь 50 м2 (как трехкомнатная квартира), потребляла электроэнергии 25 кВт, а радиоламп в ней было больше шести тысяч — неслыханное по тому времени количество.
И все это огромное сооружение могло выполнять арифметические действия над 5 — 6-значными числами со скоростью около 50 операций в секунду. Много это или мало?
Попробуй проверить это сам. Отложи ненадолго книгу, возьми карандаш и бумагу, заметь время и попробуй сложить десяток-друтой шестизначных чисел. Теперь несложно определить, сколько времени ушло у тебя в среднем на одно сложение. Скорее всего, получится от 10 до 30 с. А умножение займет, вероятно, не меньше минуты. Получается, что первая наша машина считала примерно в полторы тысячи раз быстрее, чем человек, вычисляющий вручную.
Вторая советская вычислительная машина — БЭСМ (Быстродействующая Электронно-Счетная Машина), вступившая в строй два года спустя, работала еще в двести раз быстрее. С ее помощью были решены многие задачи, которые еще в сороковые годы считались неразрешимыми из-за огромного объема вычислений.
Среди первых советских программистов были: Президент Академии наук СССР, Главный теоретик космонавтики, академик Мстислав Всеволодович Келдыш и один из основателей Сибирского отделения АН СССР, академик Михаил Алексеевич Лаврентьев. И на первых наших ЭВМ рассчитывались траектории первых спутников и лунников. Можно представить, сколько времени и труда ушло бы на эти расчеты, если бы они выполнялись вручную.
Уильям Шенке и другие. В 1873 году английский математик Уильям Шенке завершил титанический труд по вычислению семисот с лишним десятичных цифр числа п. До 1853 года это число было известно с точностью до 208 знака. За двадцать лет работы Шенке получил 707 десятичных цифр. Если напечатать их в этой книге, то они займут примерно треть страницы.
. По просьбе Шенкса эти цифры были изображены на его надгробии. А впоследствии выяснилось, что только 519 из них были определены правильно. Математик ошибся при вычислении 520-й цифры, и поэтому все последующие тоже оказались неправильными. Тем не менее результат Уильяма Шенкса навсегда вошел в историю математики как пример огромной вычислительной работы, как итог величайшего трудолюбия и настойчивости, преданности своему делу, скрупулезной точности расчетов.
В 1981 году девятиклассник из города Арзамаса Сергей Баталов вычислил более 50 тысяч знаков числа я, потратив на это немногим более часа. Никакой сенсации в научном мире этот результат не произвел. Дело в том, что Сергей пользовался для своих расчетов электронной вычислительной машиной БЭСМ-6, выполняющей более миллиона арифметических операций в секунду. Если бы Уильям Шенке попробовал вручную вычислить к с такой точностью, ему бы понадобилось не меньше двухсот тысяч лет! Понятно, что до появления ЭВМ такая задача была абсолютно неразрешимой. Нетрудно подсчитать, что БЭСМ-6, решая эту задачу, работала в полтора миллиарда раз быстрее, чем один из самых квалифицированных ма-тематиков-вычислителей прошлого века.
Уже самые первые вычислительные машины позволили получить две тысячи знаков л. А в 1961 году было вычислено 100000 знаков (за 9 часов работы ЭВМ), так что результат Сергея Баталова был интересен только тем, что эту сложную математическую задачу впервые решил школьник, и притом совершенно самостоятельно (за эту работу Сергей был награжден дипломом первой степени на Всесоюзном конкурсе школьных работ по программированию).
Сегодня уже известно свыше полумиллиона знаков числа к (больше, чем букв в этой книге), и математики знают, что в любой момент можно вычислить новые знаки, если это понадобится.
Итак, вычислительные машины способны очень быстро и точно выполнять арифметические расчеты; самые мощные современные ЭВМ работают еще в сотни раз быстрее, чем БЭСМ-6. Но умение считать, вычислять — отнюдь не единственное и даже не главное умение современных вычислительных машин. А что же еще они умеют делать? Для ответа на этот вопрос отправимся на небольшую экскурсию туда, где работают эти машины.
Билет оформляет система Сирена. Начнется наша экскурсия немножко неожиданно: вместо вычислительного центра мы зайдем в билетную кассу Аэрофлота. Как известно, современные самолеты могут в течение нескольких часов доставить нас в самую отдаленную точку нашей страны. А вот оформление билета на самолет иногда занимает гораздо больше времени, чем сам полет. Особенно много времени уходит на бронирование мест, если предстоит пересаживаться на другой самолет в другом городе. Агентство Аэрофлота, в котором был заказан билет, отправляет телеграмму в пункт пересадки с просьбой забронировать место на таком-то рейсе. Диспетчер, отвечающий за этот рейс, открывает нужную таблицу, отмечает забронированное место и составляет ответную телеграмму, получив которую, кассир выписывает билет. После этого кассир опять посылает телеграмму диспетчеру — подтверждение, что билет продан. Все это занимает три-четыре дня — это если ни один документ нигде не застрял и на нужном рейсе есть свободные места.
Но если, пересадка должна состояться в Москве, то оформление билетов, вероятнее всего, займет не больше двух-трех минут. Дело в том, что бронированием авиабилетов в Москве занимается автоматизированная система Сирена, основу которой составляет мощная вычислительная машина.
Специальные пункты для связи с этой ЭВМ — так называемые терминалы*) — установлены в большинстве крупных городов нашей страны. На каждом пульте есть печатающее устройство с клавиатурой как у обычной пишущей машинки и экраном, похожим на экран телевизора.
Несколько слов о терминалах. Вообще-то терминалом называют любое устройство для связи человека с ЭВМ. В шестидесятых годах в качестве терминалов довольно часто использовали электрические пишущие машинки и телеграфные аппараты - телетайпы. В последние годы чаще применяют дисплеи — устройства с телевизионным экраном. Различают графические дисплеи, на экране которых можно нарисовать любой рисунок (рис. 1), и а гфавгипно-цифровые, которые могут показывать только тексты (рис. 2).
*) Это слово происходит от английского «terminal» — конечный пункт. Терминал называется так потому, что он стоит в конце линии связи.
Представь себе, что ты пришел, например, к ион восибирскому оператору системы Сирена с намерением приобрести несколько билетов до Харькова (с пересадкой в Москве). Оператор набирает текст запроса, нажимая соответствующие клавиши на терминале, и через одну-две секунды на экране появляется ответ машины. В течение этих секунд вычислительная машина, находящаяся за несколько тысяч километров от Новосибирска, просмотрела расписание,- выбрала удобный для тебя редс, определила, сколько на нем свободных мест, отвела места по твоему запросу и сообщила их номера новосибирскому оператору — словом, проделала всю ту работу, на которую раньше уходило несколько дней.
Если предложенные места тебя устраивают, оператор набирает на пульте подтверждающее сообщение, и далекая ЭВМ запоминает, что места эти забронированы для пассажиров, которые таким-то рейсом прилетят из Новосибирска.
А теперь прикинь, сколько пассажиров каждый день прилетает в московские аэропорты и улетает из них, и попробуй представить себе, сколько человек одновременно обращается к операторам Сирены в разных городах. Тогда ты поймешь, какую огромную работу выполняет система.
Первое прерывание
Зачем Сирене ЭВМ?
Попробуем разобраться, какую работу выполняет в системе Сирена вычислительная машина и что она должна уметь, чтобы справляться с этой работой.
Первое, машина принимает запросы, поступающие от операторов, и отвечает на них, то есть ведет диалог с операторами. Умение вести диалог с человеком, а возможно, и со многими людьми одновременно — одно из важнейших качеств современных вычислительных машин. Для такого диалога предназначены разнообразные терминалы, печатающие устройства и рисующие устройства — графопостроители. На рис. 3, 4 изображены различные печатающие устройства, а на рис. 5 — графопостроитель.
Получив запрос с терминала, вычислительная машина должна подобрать подходящий для пассажира рейс и определить, сколько на нем свободных мест. Для этого ей нужно «помнить» расписание всех самолетов, вылетающих из Москвы, и точный перечень свободных и занятых мест на каждом самолете, по крайней мере, на две недели вперед. Иначе говоря, она должна хранить информацию о расписании и о распределении мест на самолетах.
Умение хранить информацию — второе важнейшее качество вычислительных машин. Каждая ЭВМ имеет одно или несколько запоминающих устройств (ЗУ), которые часто называют памятью вычислительной машины.
Обычно различают оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) и долговременные (ДЗУ). Оперативные устройства — самые быстрые: найти нужную информацию в ОЗУ машина может за миллионную долю секунды. Но в таком ЗУ можно хранить не так уж много сведений, и сохраняются они только во время работы машины: если ЭВМ выключили хотя бы на долю секунды, вся информация в ОЗУ пропадает (стирается).
В ДЗУ можно хранить информацию как угодно долго, поэтому эти устройства и называют долговременными, но зато и искать нужные данные там приходится гораздо дольше, чем в оперативной памяти. В качестве ДЗУ часто используют магнитофоны и запоминающие устройства на магнитных дисках, похожих на грампластинку (рис. 6, 7).
Информация в ОЗУ и ДЗУ не остается неизменной: каждый раз, когда система оформляет очередной авиабилет, какое-то свободное место становится занятым. Бывает и наоборот — когда пассажир сдает билет. Меняются расписания рейсов, выходят на авиалинии новые типы самолетов, и все эти изменения нужно немедленно занести во все таблицы, хранящиеся в памяти ЭВМ. Умение обрабатывать информа ци ю — третье и, пожалуй, самое важное качество современной ЭВМ.
V Обработкой информации занимается процессор — «мозг и сердце» любой вычислительной системы. Процессор управляет работой всей машины: он записывает информацию в память и читает ее из памяти, он принимает запросы от терминалов и выдает на терминалы свои сообщения, и он же выполняет все вычисления, изменения, исправления и другие операции над информацией, хранящейся в памяти или поступающей с терминалов.
Теперь мы можем перечислить важнейшие умения современных вычислительных машин, то есть ответить на вопрос, сформулированный в начале параграфа: каждая ЭВМ должна уметь принимать, хранить, обрабатывать и выдавать информацию.
Мы ничего не сказали об умении вычислять. Дело в том, что системе Сирена почти не приходится производить арифметические действия — разве что подсчитать стоимость детского билета или количество оставшихся свободных мест в самолете.
Разумеется, существует немало других систем, в которых машинам приходится решать гораздо более серьезные вычислительные задачи, и там их блестящие арифметические способности могут проявиться в полной мере. Но наш вывод об основных умениях ЭВМ от этого не изменится: ведь числовая информация — это всего лишь один из видов информации, а арифметические операции — один из видов ее обработки. Около 90% всей информации, обрабатываемой современными ЭВМ, составляет информация нечисловая: тексты, рисунки, графики, разнообразные списки и таблицы, так что на долю арифметических вычислений приходится лишь десятая часть рабочего времени вычислительных машин. Правильнее было бы называть их не вычислительными, а информационными машинами (точнее, машинами для обработки информации), но к старому названию уже давно привыкли и вряд ли стоит его менять
Итак, на вопрос «Что умеет делать вычислительная машина?» мы, в основном, ответили. А теперь продолжим нашу экскурсию.
Система Бельчонок ведет поиск. Исследуя состав клеточной мембраны, биохимик обнаружил какой-то белок. Нужно было определить, какой это белок и что о нем уже известно. Для этого его расщепили с помощью специально подобранных химических реактивов — ферментов. Удалось установить, что среди образовавшихся «осколков» есть такая цепочка аминокислот: аланин-валин-аланин (в сокращенных обозначениях AVA). Теперь исследователь должен отойти от лабораторного стола, взять с книжной полки толстые тома каталогов, в которых перечислены структуры всех известных белков, и начать кропотливый поиск: где в этих структурах встречается обнаруженная им цепочка. А белков — сотни, и в каждом — от двух-трех десятков до многих тысяч аминокислот...
Еще несколько лет назад такая проверка отнимала несколько дней, а иногда и недель. Сегодня на нее уходят минуты: биохимик просто подходит к терминалу и набирает свой запрос. И почти сразу }ке на экране появляется ответ ЭВМ:
ЦЕПОЧКА AVA ВСТРЕЧАЕТСЯ В ТАКИХ БЕЛКАХ: НАЗВАНИЕ БЕЛКА ПОЗИЦИЯ
Это работает система Бельчонок, созданная восьмиклассниками Таней Вайнштейн и Толей Величко по заданию Новосибирского института органической химии. Если ученый, получив такой ответ, заинтересуется более подробными сведениями об’ одном из белков, он может набрать новый запрос и получить такой, например, ответ:
ФУНКЦИЯ БЕЛКА-ФЕРМЕНТА ВАЛИЛ-ТРНК-СИНТЕТАЗЫ СОСТОИТ В УЗНАВАНИИ СПЕЦИФИЧЕСКОЙ АМИНОКИСЛОТЫ - ВАЛИНА, АКТИВИРОВАНИИ ЕЕ С ПОМОЩЬЮ АТФ И В ПОСЛЕДУЮЩЕМ ПРИСОЕДИНЕНИИ ЭТОЙ АМИНОКИСЛОТЫ К СПЕЦИФИЧЕСКОЙ ТРАНСПОРТНОЙ РНК ВАЛИЛ-ТРНК.
СПРАВКА
Ты уже, конечно, понял, как смогла машина помочь биохимику: в ее запоминающем устройстве хранились каталоги всех белков. Огромная скорость обработки информации в ЭВМ позволила просмотреть их в течение нескольких секунд, а затем машина оформила свой ответ так, чтобы специалисту было удобно его читать, и выдала на экран терминала.
И снова — никаких вычислений: вся информация о белках хранилась в ЗУ в виде текстов.
Кстати, раз уж речь зашла о текстах, заглянем в учреждение, где постоянно имеют дело с текстами — в издательство.
ЭВМ на столе у редактора. Гжатск получил новое название — город Гагарин. А в рязанской областной типографии еще не просохли гранки небольшой книги о родине первого космонавта. Конечно, книгу нужно было переделать, но... легко сказать! Ведь слово «Гжатск» в разных формах и падежах встречалось чуть ли не на каждой странице. И если бы можно было исправлять одно только это слово! Ведь новое название города на одну букву длиннее, значит, увеличится длина всей 'строки. Скорее всего, одну или несколько букв нужно будет перенести на следующую строку, значит, ее тоже предстоит исправлять, следующую за ней — тоже и так далее. В лучшем случае цепочка исправлений потянется до конца абзаца, в худшем — появится лишняя строка, а тогда нужно будет переделывать и следующую страницу...
Конечно же, при таких переделках неизбежно возникают новые опечатки. А самое обидное, что в одном-двух местах наверняка останется старое название. Понятно, что работникам издательства и типографии пришлось нелегко.
Но если бы для редактирования этой книги использовалась ЭВМ, то никаких проблем не возникло бы. Машине достаточно нескольких минут, чтобы просмотреть весь текст, сделать необходимые исправления, по-новому распределить строчки по страницам, переместить рисунки, расставить новые номера и выполнить любые другие замены. А если при переиздании книги понадобится изменить ее полиграфическое оформление, например, использовать другой шрифт, то для этого не нужно
будет набирать в типографии весь текст заново — достаточно запросить из ДЗУ старый текст, внести, если нужно, исправления и сообщить машине все сведения о новом издании: каким шрифтом его нужно набирать, сколько букв должно быть в строке, сколько строк на странице. Всю остальную работу машина выполнит сама.
Архитектор за терминалом. Нелегкая работа у архитектора. Ему приходится одновременно быть и художником, и инженером. Художник мечтает возвести изумительно красивые здания, а инженер должен ответить, можно ли такие здания построить. Он должен рассчитать усилия в каждом элементе задуманной художником конструкции, 'подобрать форму и размеры каждой детали. Его задача — обеспечить прочность, устойчивость и надежность всего сооружения, предусмотреть использование стандартных деталей всюду, где это возможно. И далеко не всегда воздушные замки, одетые в сборный железобетон, оказываются такими, как хотелось художнику. Можно, конечно, попробовать немножечко изменить проект, поискать такой вариант, который удовлетворил бы и художника, и инженера. Но расчет строительных конструкций — дело долгое и кропотливое. Если его повторять много раз, проектирование нового здания может растянуться на десятки лет.
Но вот на помощь архитектору приходит ЭВМ. Чертежную доску заменяет экран графического дисплея. При помощи светового пера — устройства, позволяющего рисовать прямо на экране, можно изобразить любой рисунок, схему или чертеж.
Теперь архитектор-художник может дать волю своей фантазии и нарисовать световым пером такое здание, которое он хотел бы видеть. Этот рисунок воспринимает вычислительная машина. За несколько секунд выполнив инженерный расчет, она изображает на экране свой вариант, соответствующий жестким требованиям строительной механики. Теперь очередь за человеком. Если предложенный машиной вариант его не устраивает, он может предложить какие-то изменения, и машина вновь повторит все расчеты уже для нового варианта. Архитектор может как угодно двигать и поворачивать здание на экране, чтобы проверить, как оно будет выглядеть с разных сторон, с разных расстояний (рис. 8). Но вот человек и машина пришли к соглашению. Теперь нужно готовить рабочие чертежи, сметы, спецификации и множество других документов, без которых нельзя начинать строительство. Все эти бумаги оформляет ЭВМ почти без участия человека.
Примерно так же — в режиме диалога с ЭВМ при помощи графического дисплея и светового пера — работают сегодня авиа- и автоконструкторы, художники-модельеры, радиоинженеры и представители многих других профессий (рис. 9).
Второе прерывание
Куда спрятался процессор?
Рассказывая о рабочих местах кассиров Аэрофлота и ученых-биохимиков, авиаконструкторов и архитекторов, мы упоминали только о терминалах, то есть об устройствах для связи с процессором вычислительной машины. А где же находится сам процессор?
Заглянем еще раз в лабораторию биохимика или в рабочий кабинет редактора и присмотримся к их терминалам повнимательнее. Лет 10—15 назад мы, скорее всего, обнаружили бы кабель (линию связи) от терминала к процессору, который наверняка занимал бы целую комнату, может быть, соседнюю, а может быть, расположенную в другом городе (как в системе Сирена).
В течение многих лет, от появления первых ЭВМ до начала семидесятых годов, процессор и запоминающие устройства были самыми большими, сложными и дорогими устройствами в составе вычислительных машин. Поэтому конструкторы и программисты всячески старались увеличить количество терминалов, подключенных к одному или нескольким процессорам, объединенным в вычислительный комплекс. Например, комплекс из трех ЭВМ БЭСМ-6, установленных в Вычислительном центре Сибирского отделения Академии наук СССР (ВЦ СО АН СССР), обслуживает больше ста терминалов, находящихся не только в самом ВЦ, но и в других институтах Новосибирского Академгородка и даже в других городах.
Линию связи, ведущую к процессору, мы можем увидеть и сегодня, но она может оказаться очень короткой. Просто рядом с терминалом стоит коробочка, размером чуть больше школьного портфеля, в которой отныне свободно помещаются и процессор, и память, и другие устройства.
Такую маленькую ЭВМ, которую свободно можно поставить на стол и которая предназначена для использования одним человеком на его рабочем месте или дома, часто называют персональной вычислительной машиной.
Вычислительные машины смогли стать такими миниатюрными, потому что сейчас вместо радиоламп, транзисторов и других деталей традиционных радиосхем используются так называемые большие интегральные схемы (БИС). Одна такая БИС заменяет сотни, а то и тысячи радиоламп, употреблявшихся в первых ЭВМ.
Сравнив рис. 10 и 11, можно получить некоторое представление о том, как изменился внешний облик вычислительных машин всего за двадцать лет. На первом рисунке изображена одна из лучших советских ЭВМ начала пятидесятых годов - Стрела. Работала она со скоростью 2 — 3 тысячи операций в секунду, а оперативное запоминающее устройство позволяло хранить 2047 чисел или команд. На рисунке показаны шкафы с процессором и ОЗУ этой машины. Видно, что они занимают территорию, ненамного меньшую, чем школьный спортзал.
Рис. 10. Общий вид ЭВМ Стрела
На втором рисунке показаны интегральные схемы: процессор с быстродействием больше 500 тысяч операций в секунду и запоминающее устройство на 2 тысячи чисел. Площадь каждой такой схемы — около квадратного сантиметра, в спичечном коробке их поместится несколько десятков. Легко видеть, что современные ЭВМ отличаются по размерам от своих предшественниц заметнее, чем муха от слона.
Прочитав эти строки, ты можешь подумать, что большие ЭВМ теперь вообще не нужны. Конечно же, это не так: всегда существуют такие задачи, которые нужно решать на самых быстрых и мощных машинах, таких, как новая советская ЭВМ Эльбрус, выполняющая около 120 миллионов операций в секунду Эти машины также делают на интегральных микросхемах, но их приходится брать не десятки, гак для первых ЭВМ, а тысячи и даже десятки тысяч. По размерам такие машины будут намного меньше Стрелы, но по своим возможностям они превосходят ее в миллионы раз. Во многих случаях нельзя обойтись и без линий связи: понятно, что сведения о свободных местах в самолетах удобно хранить в каком-то одном запоминающем устройстве, а терминалы для оформления билетов иметь в каждой кассе Аэрофлота. Но все-таки большинство задач, решаемых на вычислительных машинах, вполне по силам современным персональным ЭВМ. А если несколько персональных машин подключить к одной большой, то получится универсальная система: с маленькими задачами будут справляться персональные ЭВМ, а для решения больших задач они обратятся к мощной центральной машине. Человек, работающий за терминалом, может не интересоваться тем, какая именно машина отвечает на его запрос: главное, что ответ приходит достаточно быстро.
А теперь, познакомившись с возможностями современных ЭВМ, посмотрим, где еще ты можешь с ними встретиться.
ЭВМ у нас дома. Появление крохотных и очень дешевых процессоров на одной интегральной схеме, так называемых микропроцессоров, открыло перед вычислительной техникой совершенно неожиданные перспективы. Оказалось, что микропроцессор можно вмонтировать прямо в станок, в научный прибор и даже... в кухонную плиту и другие домашние электроприборы. Посмотрим, с какой вычислительной техникой скоро можно будет встретиться в обычной жилой квартире.
Уже появились телефонные аппараты с микропроцессорным управлением. У них есть и оперативная, и долговременная память. В оперативней хранится тот номер, который мы только что набрали. Если с первого раза дозвониться не удалось (занято), то телефон будет повторять вызов, например, каждые пять минут. А самые нужные номера можно записать в ДЗУ.
Существуют и стиральные машины, в которьц нужно только загрузить бельё и засыпать поро шок — все остальное машина сделает сама: нальщ и нагреет, если нужно, воду, замочит белье, выстирает, прополощет, отожмет и сольет воду — останется только вынуть чистое белье. Есть электро плиты, способные выполнить такое, например, задание.
Включить духовку, нагреть ее до 180°С и подать звуковой сигнал, чтобы хозяйка знала, чю пирог пора ставить в духовку. Выпекать пирог 20 минут, затем снизить температуру до 100°С выдержать пирог еще 10 минут, потом выклю; чить духовку и снова подать звуковой сигнал! Все больше появляется микропроцессорных игрушек: их подключают к обычному телевизор) и на экране появляется, например, мишень, на которой можно потренироваться в спортивной стрельбе из светового пистолета, или полоса препятствий, че рез которые нужно провести автомобиль. Естс и карманные игрушки, для которых телевизор не нужен. Почему бы, например, не поиграть в шахматы или футбол? Впрочем, не только поиграть. Разработано уже немало миниатюрных устройств, которые могут помочь в изучении иностранного языка или в переводе статьи. А для школьников младших классов предназначен карманный тренажер: машина при помощи синтезатора речи произн носит слово, а ученик должен набрать его по буквам на клавиатуре. Если он ошибается, машина начинает пищать: «Пробуй снова, пробуй снова, ты не знаешь это слово». Наконец, в известных всем электронных наручных часах и карманных микрокалькуляторах тоже используются микропроцессоры.
Появляются в некоторых квартирах и персональные ЭВМ. Подключенные к телевизору, телефону, электроплите, швейной и стиральной машинам и к другой бытовой технике, такие ЭВМ берут на себя многие обязанности домашних роботов, давно уже кочующих по страницам фантастических произведений.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
