1. Wstęp. Informatyka a elektronika

1. 1. Wstęp. Informatyka a elektronika

2. 1.1. Uwagi wprowadzające Techniczne realizacje systemów infor-matycznych opierają się na elektronice. Inżynier informatyk musi znać i rozumieć budowę urządzeń informa-tycznych, czyli potrzebna mu jest wiedza z zakresu podstaw elektroniki.

3. 1.1. Uwagi wprowadzające Plan wykładu • Wstęp. Informatyka a elektronika • Podstawy obwodów elektrycznych • Elementy półprzewodnikowe i układy scalone • Podstawowe układy cyfrowe • Podstawowe układy analogowe • Tendencje rozwojowe

4. 1.1. Uwagi wprowadzające Część wstępna: relacje między informatyką i elektroniką z uwzglę-dnieniem uwarunkowań historycznych. Rozwój informatyki jest ściśle powiązany z rozwojem technologii elektronicznych.

5. 1.1. Uwagi wprowadzające Parametry elementarnych struktur w układach scalonych  parametry techniczne tych układów  parametry użytkowe sprzętu komputerowego.

6. 1.2. Zadania informatyki Informatyka zajmuje się zbieraniem, przechowywaniem, przetwarzaniem i prze-syłaniem informacji (obróbką informacji).

7. 1.2. Zadania informatyki Pojęcie informacji nie posiada ścisłej definicji. Przyjmujemy, że informacja jest stwierdzeniem pewnego stanu rzeczy.

8. 1.2. Zadania informatyki Przykład: patrząc na termometr stwierdzam, że temperatura za oknem wynosi 12°C. W moim umyśle pojawia się informacja: „temperatura za oknem wynosi 12°C”.

9. 1.2. Zadania informatyki To, co widzę na termometrze (liczba 12) jest reprezentacją informacji. Odczytanie tej reprezentacji jest czynnością zbierania informacji. Informację tę mogę przechować w pamięci, przesłać (przekazać innej osobie) lub przetworzyć.

10. 1.2. Zadania informatyki Dla dokonania obróbki informacji (zbierania, przechowywania, przetwa-rzania, przesyłania) trzeba powiązać infor-mację z pewnym nośnikiem: zjawiskiem lub wielkością fizyczną.

11. 1.3. Nośniki informacji - sygnały Sygnał: zjawisko lub wielkość fizyczna służące jako nośnik informacji. Przykłady: drgania akustyczne – dźwięki, przebiegi elektryczne w układach wewnątrz kompu-tera.

12. 1.3. Nośniki informacji - sygnały Tę samą informację można przekazać za pomocą różnych sygnałów (dźwięki, tekst pisany w różnych językach). Ten sam typ sygnału może służyć do przekazywania różnych informacji. Nawet identyczne sygnały mogą nieść informacje różne dla różnych odbiorców.

13. 1.3. Nośniki informacji - sygnały Kod: sposób powiązania informacji z sygnałem wykorzystywanym jako nośnik (umowa między nadawcą i odbiorcą informacji).

14. 1.3. Nośniki informacji - sygnały Kodowanie: kształtowanie sygnału tak aby odpowiadał pożądanej informacji. Sygnał zostaje przesłany do odbiorcy, który dokonuje dekodowania, czyli odczytu informacji z odebranego sygnału. Kodowanie informacji ma z reguły charakter wielopoziomowy.

15. 1.4. Przetwarzanie informacji a przetwa-rzanie sygnałów W trakcie przesyłania informacji, sygnał będący jej nośnikiem jest wielokrotnie przetwarzany. Przykład: telefoniczne przekazywanie informacji, że temperatura za oknem wynosi 12°C.

16. 1.4. Przetwarzanie informacji a przetwarzanie sygnałów Ciąg przekształceń sygnałów: sygnały elektrochemiczne między mózgiem a na-rządem mowy, sygnał akustyczny od ust do mikrofonu, sygnały elektryczne w telefonie, sygnały elektromagnetyczne w przestrzeni itd.

17. 1.4. Przetwarzanie informacji a przetwarzanie sygnałów Określenia „przetwarzanie informacji” i „przetwarzanie sygnałów” są często mylone. W trakcie przekazywania informacji, sygnały będące jej nośnikiem są wielokrotnie przetwarzane, bez zmiany samej informacji.

18. 1.4. Przetwarzanie informacji a przetwarzanie sygnałów Ściślej: w trakcie kodowania, deko-dowania i przetwarzania sygnałów następuje na ogół niepożądane znie-kształcenie informacji.

19. 1.4. Przetwarzanie informacji a przetwarzanie sygnałów Celowe przekształcanie informacji: na podstawie informacji początkowych (wejściowych), przez wykonanie pewnych operacji powstaje nowa informacja.

20. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Rozwój technik przekazywania informacji - chyba najważniejszy element rozwoju cywilizacji.

21. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Etapy rozwoju „cywilizacji informacyjnej”: • stopniowe wprowadzanie liczbowej reprezentacji informacji; • rozwój logiki i matematyki, a zwłaszcza metod numerycznych;

22. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych • opracowywanie urządzeń technicznych do wykonywania obliczeń; • zastosowanie sygnałów elektrycznych w obróbce informacji; • rozwój technik przesyłania sygnałów elektrycznych niosących informację;

23. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych • powstanie elektroniki w początkach XX wieku; • powstanie elektroniki półprzewodnikowej w połowie XX wieku; • powstanie Internetu pod koniec XX wieku.

24. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Rozwój technik obróbki informacji uległ gwałtownemu przyśpieszeniu w XX wieku, głównie w związku z rozwojem elektroniki półprzewodnikowej.

25. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych W obróbce informacji (gromadzenie, przesyłanie itd.) najwygodniej wykorzy-stywać liczbową reprezentację informacji. Przetwarzane informacje mają często charakter liczb (gdy używamy komputera do obliczeń).

26. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych W innych wypadkach, kodowanie informacji obejmuje przedstawienie jej w formie ciągu liczb. Przetwarzanie informacji: algorytmu obliczeniowy obejmujący operacje logiczne i arytme-tyczne.

27. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Kodowanie informacji mającej repre-zentację liczbową: wartości liczbowe sygnału (nośnika) reprezentują kolejne elementy informacji. Liczbowa repre-zentacja informacji może nie występować w sposób jawny lub odnosi się tylko do jednej z form używanych sygnałów.

28. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Sygnały używane jako nośniki informacji można różnie klasyfikować, na przykład według wykorzystywanego zjawiska fizycznego (mechaniczne, optyczne, aku-styczne, elektryczne).

29. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Inny ważny podział: sygnały analogowe i cyfrowe. Wielkość stanowiąca sygnał analogowy jest określona w każdej chwili czasu i może przyjmować dowolne wartości liczbowe (liczby rzeczywiste).

30. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Sygnał cyfrowy jest określony tylko w wybranych, dyskretnych punktach czasu i może przyjmować tylko dyskretne wartości, reprezentowane najczęściej jako liczby całkowite. Mówi się o technikach i urządzeniach analogowych lub cyfro-wych.

31. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych

32. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Dokładniej: sygnały używane w technice cyfrowej są ciągłymi funkcjami czasu, ale bierze się pod uwagę jedynie ich wartości w wybranych chwilach. Wartości te mogą być dowolne, ale wartości z przedziałów (Cn - , Cn + ) interpretuje się jako Cn,a wartości spoza tych przedziałów jako nieokreślone.

33. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Do zapisu liczb można stosować różne zestawy cyfr; obecnie stosuje się powszechnie zapis dziesiętny. Do liczbo-wej reprezentacji informacji najwygodniej-szy jest zapis binarny (tylko dwie cyfry).

34. 1.5. Etapy rozwoju technik informacyjnych Taką reprezentację łatwo powiązać z noś-nikami fizycznymi, traktując dwie możliwe cyfry jako: 0 – 1; czarny – biały; duży – mały; tak – nie; kropka – kreska itd.

35. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Przetwarzanie informacji mających reprezentację liczbową: algorytm złożony z elementarnych operacji arytmetycznych lub logicznych. Te operacje mogą być realizowane przez elementarne komórki urządzenia technicznego.

36. Przykład: tarcza z cyframi od 0 do 9. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych

37. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Naciśnięcie dźwigni  przesunięcie tarczy o 1/10 obrotu. Naciśnięcie dźwigni: impuls wejściowy; cyfra widoczna w okienku: stan tarczy; stan początkowy: zero. Aktualny stan tarczy informuje o liczbie podanych impulsów wejściowych N (gdy N  9).

38. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Urządzenie to może sumować liczby w zakresie od 0 do 9. Rozszerzenie zakresu: dołączamy drugą tarczę tak, że zmiana stanu pierwszej z „9” na „0” powoduje wprowadzenie impulsu wejścio-wego do drugiej tarczy i tak dalej.

39. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Takie mechaniczne urządzenia umożli-wiające dodawanie były rzeczywiście konstruowane.

40. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Wykonywanie bardziej złożonych obliczeń (np. dzielenie liczb, rozwiązywanie równań) lub innych operacji przetwarzania informacji może być też sprowadzone do ciągu działań elementarnych.

41. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Wykonanie działania elementarnego w danym kroku zależy w ogólności od aktualnego stanu urządzenia, od obecności lub braku impulsu wejściowego i od treści aktualnego kroku instrukcji kierującej wykonywanym obliczeniem.

42. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych W każdym kroku musi być uwzględniana kombinacja trzech zmiennych (stan, wejście, instrukcja), co wymaga doko-nywania na nich elementarnych operacji logicznych takich jak „NIE” (NOT), „LUB” (OR), „I” (AND).

43. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Zasady według których realizacja dowolnych algorytmów przetwarzania informacji zostaje sprowadzona do ciągu elementarnych manipulacji na symbolach opierają się na pracach G. Boole’a i A. Turinga. Strona teoretyczna należy do podstaw informatyki.

44. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Od lat 30-tych XX wieku, w charakterze nośników informacji w urządzeniach do przetwarzania informacji stosuje się sygnały elektryczne a liczby, na najniższym poziomie przetwarzania, są reprezentowane w systemie binarnym.

45. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Napięcia elektryczne w elementarnych komórkach urządzenia obliczeniowego mogą znajdować się w jednym z dwóch przedziałów; wartości większe interpre-tujemy jako 1, mniejsze – jako 0.

46. 1.7. Przetwarzanie informacji jako ciąg operacji elementarnych Za pomocą tychże cyfr reprezentuje się stan bloków logicznych w logice dwuwar-tościowej. Omówienie praktycznych rozwiązań technicznych przedstawimy w ujęciu historycznym.

47. 1.8. Mechaniczne maszyny obliczeniowe – rys historyczny Sumowanie liczb naturalnych można zrealizować w sposób mechaniczny (połączenie kółek zębatych, dźwigni, sprężynek, zapadek itd.). Pierwsze mechaniczne sumatory poruszane ręcznie pojawiły się w wieku XVII (konstruktorzy: m. in. Pascal i Leibniz).

48. 1.8. Mechaniczne maszyny obliczeniowe – rys historyczny Wiek XVIII: modyfikacje, poszerzenie możliwości. W roku 1820, Francuz Charles Thomas skonstruował arytmometr mechaniczny umożliwiający wykonywanie czterech działań arytmetycznych. Po ok. 40-tu latach, zmodyfikowaną wersję zaczęto wytwarzać seryjnie.

49. 1.8. Mechaniczne maszyny obliczeniowe – rys historyczny Pod koniec XIX wieku, różne typy arytmometrów budowano we Francji, Anglii, Niemczech, USA i Rosji.

50. 1.8. Mechaniczne maszyny obliczeniowe – rys historyczny Najciekawsze koncepcje budowy mechanicznych maszyn obliczeniowych w XIX wieku przedstawił Anglik Ch. Babbage, jednak jego nowatorskie koncepcje nie zostały wprowadzone do produkcji.