Informatyka dla klas II – Wprowadzenie do informatyki

Piramidy egipskie i komputery

Zmorą dawnych naukowców było wykonywanie rachunków. Dlatego pojawiły się pierwsze mechaniczne maszyny liczące. Np. znany fizyk Błażej Pascal wymyślił arytmometr mechaniczny, który potrafił dodawać i odejmować (właściwie potrafił tylko dodawać, odejmowanie realizowane było przez dodanie tzw. uzupełnienia do podstawy 10), tzw. pascalinę:

Mechaniczny arytmometr Pascala – Pascalina

Pascal zbudował tę maszynę dla swojego ojca, który musiał wykonywać mnóstwo rachunków przy zbieraniu podatków.

Wraz z rozwojem techniki maszyny liczące stawały się coraz bardziej zaawansowane. Majstersztykiem mechanicznym jest bez wątpienia maszyna analityczna, zaprojektowana przez Charlesa Babbage'a w 1834 roku.

Fragment maszyny analitycznej Charlesa Babbage'a

Niestety, Babbage'owi nie udało się jej zbudować w całości z braku funduszy, lecz pozostawił po sobie plany, które pozytywnie zweryfikowano i okazało się, że gdyby maszyna analityczna rzeczywiście powstała w 1834, to w erę komputerów ludzkość weszłaby o 100 lat wcześniej.

Jeśli zainteresowały cię te urządzenia liczące, to zapraszam do obszernego artykułu:

Pierwszy komputer mechaniczny, który działał na tej samej zasadzie co dzisiejsze komputery, zbudował w 1936 roku niemiecki inżynier Konrad Zuse, który jest współcześnie uznawany za ojca komputerów. Komputer nosił nazwę Z1 i pracował w systemie binarnym jak współczesne komputery.

Rekonstrukcja komputera Z1 wykonana przez Konrada Zuse przy współpracy z firmą Siemens AG

Przeznaczeniem komputera Z1 było odciążenie inżynierów od wykonywania żmudnych rachunków przy projektowaniu różnych konstrukcji. Więcej na ten temat znajdziesz w naszym serwisie w dwóch artykułach:

Wybucha II Wojna Światowa. Nazistowskie Niemcy używają do szyfrowania komunikatów specjalnych maszyn szyfrujących Enigma oraz Ultra. Do łamania ich szyfrów w Anglii w tajnym ośrodku w Bletchley Park zostają zbudowane komputery elektroniczne na lampach elektronowych. Noszą nazwę Colossus i są tak tajne, że świat dowiedział się o nich dopiero w latach 80-tych ubiegłego wieku. Komputery zostały całkowicie zniszczone po zakończeniu działań wojennych.

Replika komputera Colossus w Bletchley Park w Anglii

Więcej na ten temat znajdziesz w ciekawym artykule:

Historia komputerów przyspiesza. W Ameryce w 1943 roku zostaje zbudowany komputer elektronowy ENIAC (od angielskiej nazwy Electronic Numerical Integrator And Computer  – Elektroniczny, Numeryczny Integrator i Komputer).

ENIAC (1945)

Oficjalnym celem budowy komputera ENIAC były obliczenia artyleryjskie, jednak wiadomo, że wykorzystywano go również do obliczeń przy projekcie bomby wodorowej. ENIAC niesłusznie jest uznawany za pierwszy komputer elektronowy, ponieważ przed nim były komputery Colossus.

Kolejne komputery zbliżają się do tego, co znamy.

UNIVAC (1950)

IBM 360 (1970)

IBM XT (1980)

LAPTOP (2013)

Co z tego wynika? Ludzie wiedzą, jak działają komputery. Przecież to oni je zbudowali. Dziedzina naukowa nie jest potrzebna do badania ich działania lub budowy – możemy jej potrzebować do określenia idealnej budowy komputera, który miałby rozwiązywać jakieś problemy. Jednakże, gdy komputer taki już powstanie, to wszystkie jego parametry możemy sobie przeczytać ze specyfikacji technicznej. Nie musimy tego badać osobną dziedziną nauki.

Czym zatem jest informatyka? Spójrzmy na nazwę tej dziedziny. Z czym się wam ta nazwa kojarzy? Oczywiście z informacją!

Komputer jest tu niezbędnym narzędziem, ale nie celem. Tak jak w malarstwie płótno, pędzel i farby są niezbędne, lecz nie stanowią celu malarstwa, to tylko narzędzia artysty malarza.

Co do obsługi komputera, to wszelkie informacje możemy znaleźć w instrukcjach obsługi. Również nie potrzebujemy do tego nauki – możemy jej potrzebować do określenia, jak powinien być zbudowany komputer oraz jego składniki, aby człowiek mógł go wygodnie i efektywnie obsługiwać.

Duch informacji

Wiemy już, że informatyka zajmuje się informacją. Ale czym jest ta informacja? Okazuje się, że bardzo trudno ją zdefiniować – a tak naprawdę nie istnieje jednolita definicja informacji. Dlaczego? Otóż definicja sama w sobie jest informacją, a nie możemy definiować nowego obiektu nim samym.

Czy informacja może być czymś materialnym? Jeśli tak, to jaki ma kolor, ile waży, jaka jest w dotyku. Tego typu pytania nie mają większego sensu (a może czasem mają?).

Jedna z koncepcji informacji mówi, że jest ona wytworem umysłu. Aby dostrzec informację, musi istnieć pewien umysł, który ją dostrzeże. Czyli przypomina ona bardziej ducha, rzecz niematerialną, pojęcie abstrakcyjne niż coś ze świata materialnego. Jeśli jednak chcemy informację przetwarzać przy pomocy komputerów, to musimy jej nadać rzeczywistą, materialną postać.

Na co dzień posługujemy się informacją. Jak to robimy? Wykorzystujemy różne środki pośrednie: mowę, pismo, znaki, gesty, wyraz twarzy. A czym są te środki? To są symbole, którym przypisujemy odpowiednie znaczenie. Weźmy przykładowo mowę. Mowa to zbiór określonych dźwięków, które wydajemy za pomocą ust. Z dźwięków tych budujemy słowa, zdania, opowiadania, wiersze. Słowom nadajemy odpowiednie znaczenia. Słowa są używane w określony przez gramatykę sposób. Dzięki temu możemy przekazać informację. Zwróć uwagę, że bez odpowiedniej umowy słowa same w sobie nie stanowią bezpośredniej informacji. Należy wiedzieć, jak zawartą w słowach informację odczytać, czyli należy znać język, do którego te słowa należą. Podobnie jest z pismem. Pismo to zbiór znaków, liter, za pomocą których zapisujemy dźwięki mowy (są alfabety, gdzie zapisywane jest od razu całe słowo – np. w językach azjatyckich). Aby odczytać pismo znów musimy znać sposób interpretacji znaków.

Zauważmy pewną prawidłowość: do wymiany informacji stosuje się różne symbole, lecz informacja nie jest w nich dana z góry, należy ją interpretować. Ta sama informacja może być reprezentowana przez różne symbole, np. słowa oznaczające przyjaciel w kilku językach:

Również ten sam symbol może reprezentować różną informację:

Jaka jest procedura tworzenia systemu kodowania informacji? Wygląda ona tak:

Co z tego wynika? Symbole są uniwersalnym środkiem reprezentowania informacji, pod warunkiem, że nadamy im odpowiednie znaczenia. Symbole mogą przyjmować najprzeróżniejsze formy, tutaj inwencja ludzka nie z na granic. Mogą to być dźwięki mowy, znaki pisma, gesty (istnieje język migowy dla głuchoniemych), sygnały elektryczne, radiowe, laserowe, pola magnetyczne, wgłębienia na dyskach optycznych, tajne znaki dla wtajemniczonych (np. stosowane w czasie wojny), itp.

Jeśli chcemy przetwarzać informację za pomocą maszyn, to musimy dla niej wybrać wygodne symbole. Nie mogą być skomplikowane (jak mowa czy pismo), ponieważ skomplikowany symbol wymaga równie skomplikowanej maszyny do jego przetwarzania, a skomplikowane maszyny są drogie i bardziej zawodne Początkowo maszyny wykorzystywano tylko do obliczeń, dlatego przetwarzanymi symbolami były cyfry liczb. Komputer ENIAC pracował na liczbach w systemie dziesiętnym. Oczywiście cyfry musiały być przetworzone na sygnały elektryczne o różnym napięciu. Ten sposób przetwarzania danych się nie przyjął, ponieważ układy dziesiętne są zbyt skomplikowane i zawodne (w sygnale, który posiada 10 różnych poziomów napięcia, zakłócenie łatwiej może zmienić wartość cyfry). Przyjętym powszechnie do przetwarzania informacji stał się najprostszy sygnał dwustanowy, czyli bit. Prosty sygnał może być przetwarzany przez proste układy, a to przekłada się bezpośrednio na mniejsze koszty konstrukcji i użytkowania takich układów.

W informatyce stany bitów oznaczamy zwyczajowo cyframi 0 i 1. W elektronice często stosuje się oznaczenia H (stan wysoki – ang. high) i L (stan niski – ang. low). Dlaczego tak? Otóż w układach elektronicznych bity są przedstawiane za pomocą napięć lub prądów elektrycznych. Niska wartość napięcia (L) oznacza bit 0, wysoka wartość napięcia (H) oznacza bit 1. Wykorzystuje się tutaj fakt, że informacja może być reprezentowana przez różne symbole.

Zastosowania bitów

Bit jest najprostszym symbolem, który może występować tylko w dwóch różnych postaciach. Pokażemy teraz, jak ten prosty symbol można wykorzystać w praktyce do kodowania różnych informacji.

Jeden bit daje nam dwa symbole: 0 i 1. Są to jakby słowa pewnego języka. Mając słowa, można nadawać im różne znaczenia w zależności od potrzeb.

Czujka ruchu

Idąc korytarzem naszej szkoły, na pewno zauważyłeś pod sufitem tzw. czujniki ruchu (ang. motion sensors). Zadaniem tych urządzeń jest ochrona obiektu przed nocnym włamaniem. Czujnik ruchu oświetla korytarz wiązkami światła podczerwonego, którego nasze oczy nie widzą (sowy podobno to potrafią). Wiązki te padają na ściany oraz inne elementy korytarza i, odbijając się od nich, wracają z powrotem do czujki. Jeśli odbierane przez czujkę światło ulegnie jakiemuś zaburzeniu (np. gdy ktoś przetnie drogę jednemu z promieni), to czujka wysyła odpowiedni sygnał do układu alarmowego, który albo wszczyna alarm akustyczny, albo dzwoni do ochrony. Język czujki jest językiem bitowym:

Język ten tworzą sygnały bitowe, które czujka przekazuje do swojego układu zabezpieczającego budynek. Bity są przekazywane w postaci prądu przewodami elektrycznymi. To jedno z tysięcy zastosowań pojedynczego bitu.

Jeden bit nie daje nam zbyt dużych możliwości kodowania informacji. Aby zakodować więcej różnych danych, łączymy bity w grupy (tak samo litery łączymy w grupy, otrzymując wyrazy). Dwa bity dają nam już 4 różne słowa:

Za pomocą dwóch bitów można zatem przesyłać cztery różne informacje. Zwróć uwagę na to, jak utworzyliśmy te cztery słówka binarne. Otóż do stanów 0 i 1 ostatniego bitu dodaliśmy nowy bit o stanie 0, a następnie znów do stanów 0 i 1 ostatniego bitu dodaliśmy nowy bit o stanie 1:

Jeśli powtórzymy ten schemat, dodając do dwóch bitów trzeci, to otrzymamy osiem słówek bitowych:

Dodając każdy kolejny bit, zwiększamy dwukrotnie liczbę słówek: wszystkie poprzednie słówka z nowym bitem o stanie 0 i wszystkie poprzednie słówka z nowym bitem o stanie 1. Otrzymujemy następujący ciąg geometryczny:

Co z tego wynika? Dla każdej skończonej liczby informacji zawsze możemy utworzyć wystarczającą dla nich liczbę słówek bitowych. Czyli, pomimo swej prostoty, bity pozwalają kodować dowolną, skończoną liczbę informacji. I tutaj właśnie tkwi ich potęga.

Podsumowanie