Informatyka

Człowiek-rachmistrz i maszyna-rachmistrz

Komputer jest rachmistrzem. Istotą komputera nie jest nowoczesna elektronika, ale znana od dawna organizacja procesu rachowania (obliczania). Dzisiejsze komputery są logicznymi potomkami zespołów rachmistrzów w biurach obliczeniowych przemysłu optycznego, jakie istniały w ubiegłym stuleciu. I jeżeli od strony technicznej (fizykalnej, elektronicznej, konstrukcyjnej) dzisiejszy komputer można rzeczywiście uznać za wynalazek o charakterze rewolucyjnym, to od strony organizacyjnej jest to raczej kolejny, mniejszy i tańszy, środek do przetwarzania informacji.

Spróbujemy to wykazać. Posłużymy się przy tym porównaniem człowieka-rachmistrza z maszyną-rachmistrzem. Ponadto popatrzymy na komputer nieco szerzej. Nie tylko jako na urządzenie obliczające, ale także jako na urządzenie sterujące pracą maszyn i urządzeń. Dojdziemy w ten sposób do istoty nowoczesnych maszyn - maszyn mechatronicznych, które powstają w symbiozie mechaniki z elektroniką i techniką komputerową.

Rachmistrz i jego miejsce pracy.

Człowiek-rachmistrz

Dzisiejsze komputery są logicznymi potomkami zespołów rachmistrzów w biurach obliczeniowych przemysłu optycznego, jakie istniały w ubiegłym stuleciu. Jeżeli zrozumiemy sposób pracy tych zespołów, to zrozumienie działania maszyny-rachmistrza (komputera) stanie się łatwe. Kwitnący przemysł optyczny XIX wieku potrzebował bardzo dużo obliczeń numerycznych. Realizowano je za pomocą czystej organizacji pracy. Urządzano sale obliczeniowe, w których zatrudnieni rachmistrze pracowali jako urządzenia liczące (rysunek ). Rachmistrze ci nie byli jednak w żadnym przypadku wykształceni do przeprowadzania złożonych obliczeń matematycznych, na przykład do obliczania całek. Otrzymywali tylko dokładne instrukcje, według których mieli pracować. Wymagania, jakie stawiano rachmistrzom, dotyczyły w zasadzie tylko znajomości operacji podstawowych, które mieli stosować w określonych miejscach na dostarczonych tabelach danych. Wyniki tych operacji zapisywano w ściśle określonych miejscach. Podstawowymi pomocami rachmistrzów były: tabliczka do krótkotrwałego gromadzenia wyników pośrednich oraz tablice logarytmiczne. Może to dziwić, ale za pomocą tych prostych środków (i dostatecznego czasu) można rozwiązywać wszystkie problemy numeryczne. Między dzisiejszymi komputerami i biurami rachmistrzów nie ma zasadniczej różnicy jakościowej, jest natomiast ogromna różnica ilościowa, dotycząca szybkości i wydajności obliczeń.

Jeżeli pozwolić rachmistrzom na podejmowanie pewnych prostych decyzji, to mogą oni opracowywać problemy, których droga rozwiązania zależy od wyników pośrednich. Przykładem może być wyciąganie pierwiastka z liczby ujemnej. Generalnie jednak rachmistrz nie musi rozumieć problemu, w którego opracowaniu bierze udział.

Maszyna-rachmistrz

Rozważmy konieczne umiejętności człowieka-rachmistrza. Jest ich zadziwiająco mało. Musi on umieć:

1. czytać załączoną instrukcję;

2. rozpoznawać instrukcję (operację) czytaną;

3. sprawdzać ją ze względu na warunek:

1. brak warunku lub warunek spełniony - wtedy operację wykonywać (czytać dane, wiązać dane ze sobą, odkładać dane);

2. warunek niespełniony - wtedy operację ignorować;

4. przechodzić do następnej instrukcji.

Ten niewielki obszar funkcji daje się realizować za pomocą maszyny-rachmistrza.

Możliwość zrealizowania maszyny-rachmistrza pokazuje schematycznie rysunek.

1. Z zasobnika (pamięci) programów pobierane są instrukcje (programy) i przekazywane do urządzenia sterującego pracą maszyny-rachmistrza.

2. Urządzenie sterujące czyta instrukcje, jedna po drugiej i według tego steruje urządzeniem obliczającym - lub lepiej: jednostką arytmetyczno-logiczną, ponieważ:

• wykonuje ona nie tylko podstawowe działania matematyczne,

• ale także porównuje, selekcjonuje, sortuje, grupuje itp., czyli wykonuje podstawowe operacje logiczne.

• Wyniki pośrednie powstają w akumulatorze.

3. Odkładane są one, zgodnie z instrukcją programu, w zasobniku danych,→ skąd także pobierane są dane do obrabiania, czyli operandy.

Schematyczne przedstawienie maszyny-rachmistrza.

Przez akumulator (urządzenie do czasowego gromadzenia danych) można odczytywać i wczytywać (ładować) urządzenie wprowadzające i urządzenie wydające. W ten sposób maszyna-rachmistrz komunikuje się ze światem zewnętrznym. Bezpośrednie połączenie obu tych urządzeń z maszyną, która ma być sterowana, sprawia, że urządzenie obliczające może pełnić taką samą funkcję, jaką pełni operator maszyny.

Do budowy takiej maszyny-rachmistrza nie potrzeba wcale mikroelektroniki. Można ją zrealizować za pomocą elementów mechanicznych, pneumatycznych, hydraulicznych czy elektrycznych. Jej istotą jest bowiem nie fizyka, ale logika. To, czy ta logika jest realizowana przez sterowany zespół rachmistrzów, czy przez skonstruowane urządzenie techniczne, jest całkowicie obojętne z punktu widzenia istoty działania maszyny. Jest istotne natomiast, i to bardzo, z punktu widzenia jej wydajności, zajmowanej przestrzeni i kosztów. Istotą maszyny-rachmistrza jest bowiem przełączanie, gdy spełnione zostaną odpowiednie warunki. To, jak szybko przełącza - raz na sekundę czy miliony razy na sekundę (jak to czyni mikroprocesor) - jest tylko różnicą ilościową, a nie jakościową.

Praca rachmistrza nie musi się ograniczać tylko do operacji liczbowych czy przedstawiania jakiegoś stanu za pomocą liczb. Odpowiednia instrukcja pracy (program) może uczynić rachmistrza księgowym czy zarządcą. Jeżeli przy tym otrzyma on na przykład możliwość poruszenia dźwignią czy naciśnięcia odpowiedniego guzika, to może być także maszynistą lokomotywy lub pilotem samolotu. A do tego program ten jest wymienialny. Tak więc komputer może nie tylko obliczać, ale i sterować maszynami i procesami. I to staje się dziś podstawową funkcją komputera, a właściwie mikroprocesora. Jest on urządzeniem przełączającym, a sterowanie w istocie jest ciągłym przełączaniem.

Mikroprocesor jest centralnym elementem komputera. Realizuje on przełączanie (sterowanie) w technice cyfrowej i składa się z dwóch istotnych elementów: sieci przełączającej i pamięci. Oba te elementy mogą być dowolnie zmieniane (programowane).

Mikroprocesory - a więc elektroniczne maszyny-rachmistrze - spotyka się dziś wszędzie. Dlaczego odniosły taki sukces? Odpowiedź jest prosta: są śmiesznie małe i tanie. Narodziny mikroprocesora spowodowały nowe spojrzenie na procesy przepływu informacji w maszynach. (olbrzymie możliwości obliczeniowe i łatwość programowania, w połączeniu z miniaturowymi rozmiarami i coraz niższą ceną.)

Powód tych nadzwyczaj różnorodnych możliwości zastosowania komputera jest następujący: Te aspekty dowolnego procesu, które dają się opisać przez stałe i precyzyjne reguły, można przedstawić na komputerze.

Sedno zagadnienia tkwi więc w możliwości opisu za pomocą stałych i precyzyjnych reguł.

Przez „proces” będziemy przede wszystkim rozumieć dowolną kolejność (sekwencję) zdarzeń obserwowanych w otaczającej nas rzeczywistości. Generalnie biorąc tego rodzaju procesy nie dają się jednak odwzorowywać na komputerze. Istnieją pewne ograniczenia.

Pierwsze ograniczenie wynika stąd, że proces można traktować w różnych aspektach. I tak proces można oceniać na przykład:

• tylko w formalnych aspektach logicznych.

• z punktu widzenia jego praktycznej stosowalności.

• z punktu widzenia jego struktury i przebiegów w czasie.

• z punktu widzenia akceptacji przez użytkownika.

Te niepełne wyliczenie aspektów procesu pokazuje jasno, że nie wszystkie aspekty procesu można opisać za pomocą stałych i precyzyjnych reguł. I tak, za pomocą stałych i precyzyjnych reguł niemożliwe jest możliwe opisanie na przykład pełnego zachowania się kierowcy „w stanie wskazującym”. Dlatego na komputerze nie dają się odwzorować także wszystkie aspekty tego procesu.

Informatyka nie odzwierciedla więc w pełni rzeczywistości; odzwierciedla tylko określone aspekty procesów, a mianowicie tylko te aspekty, które można opisać przez stałe i precyzyjne reguły.

Jeżeli jednak opis aspektów jakiegoś procesu przez stałe i precyzyjne reguły powiedzie się, to reguły te można, w zasadzie, sprowadzić zawsze do kolejno następujących po sobie operacji logicznych. Te z kolei można odwzorować w obwodach elektrycznych. To, jak odwzorowanie problemu rzeczywistego następuje w obwodach elektrycznych i jakie środki można do tego zastosować.

Wszystkie aspekty procesów, które dają się ująć w stałych i precyzyjnych regułach, można teraz przedstawiać za pomocą zer i jedynek. Stąd wynikną także ogólne wymagania stawiane interfejsom człowiek-komputer.

Jak programy mogą być efektywnie obrabiane w komputerze? Jakie wymagania szczegółowe powstają wtedy, gdy komputery przyłącza się do maszyn i urządzeń. Jak można przekształcić analogowe wartości pomiarowe jakiegoś urządzenia w cyfrową reprezentację wartości pomiarowej w komputerze i odwrotnie?

Najważniejszym problemem wewnątrz komputera jest koordynowanie niewyobrażalnie ogromnej liczby przebiegów na poziomie maszynowym. Wszystkie zadania tego rodzaju wykonuje specjalny program (oprogramowanie) nazywany systemem operacyjnym, funkcjonowania tłumacza z języka programowania na kod maszynowy (kompilator/asembler).

HENNIG K.: Informatik Im Maschinenbau. Springer, Berlin Heidelberg New York, 1994.

3

10

1

---