Будь умным!

У вас вопросы?
У нас ответы:) SamZan.net

Лекции по информатике (МЭИ)

Работа добавлена на сайт samzan.net:


Лекции по информатике (МЭИ)

Вплоть до 17 века деятельность человеческого общества в целом и каждого индивидуума в отдельности была направлена на овладение веществом (камня, металла, дерева, воды и т.д.) вплоть до механизмов и машин, позволяющих изготавливать потребительские мат. ценности.

Затем в процессе становления индустриального общ-ва на первый план вышла проблема овладения энергией (сначала тепловой, затем электрической и атомной). Овладение энергией позволило повысить уровень жизни людей и изменить хар-р их труда.

В то же время человеч-во стремилось познавать законы природы, выделяя общие закономерности в разнообразии материальных объектов. Стали возникать философские понятия и одним из первых стало понятие вещества. Постепенно появились первые скромные научные обобщения и исследования, т.е. стали накапливаться знания. Следующим принципиальным понятием стало понятие энергии. Его появление было связано с развитием техники, созданием двигателей, технических преобразователей энергии. Дальнейшее исследование все более сложных объектов в технике, биологии, обществе поставило науку перед фактом невозможности детального описания их поведения на языке материальноэнергетических моделей. То есть все большее значение для науки стала приобретать информация в виде накопленных и хранимых знаний, а также новых подходов, новых идей.

Как известно, для реализации научно-технической идеи требуется выполнение трех основных условий:

  1.   Идея не должна противоречить известным на тот момент законам науки;
  2.   В ее реализации должна быть остро заинтересована значительная часть общества (как говорят, должен «дозреть социальный заказ»);
  3.   Должен быть достигнут тот уровень технологии общественного производства, который обеспечивает эффективную реализацию заложенных в идею технологических принципов.

На самых ранних этапах формирования трудовых коллективов человеку потребовались кодированные сигналы общения, сложность которых быстро возрастала с повышением сложности трудового процесса. Эту задачу человеческий мозг решил эволюционно — без каких-либо искусственно созданных инструментов развилась и постоянно совершенствовалась человеческая речь. Речь и явилась первым носителем человеческих знаний. Передача этих знаний осуществлялась только в устной форме и передавалась от поколения к поколению. В то время процесс эволюции человеческих знаний протекал очень медленно, так как возможности доступной сознательному человеческому разуму памяти были с точки зрения сегодняшних воззрений невелики.

Письменность возникла как новая идея и стала первым историческим этапом развития информационной технологии. Истоки этого этапа исследованы почти на 30 тыс. лет вглубь человеческой истории. По современным археологическим дан- ным, дистанция по шкале времени между первыми инструментами для работы с Материальными объектами и инструментами для регистрации каких-то информаионных образов (календарь и др.) - около миллиона лет. Иными словами около 990/, своего исторического пути люди имели дело только с материальными объектами. Поэтому исторический опыт и глубина творческой интуиции человека на несколько порядков слабее в информационной сфере деятельности, чем в сфере традиционного материального производства. Этот исторический факт в значительной степени объясняет выигрыш в эффективности решения абстрактных информационных задач, который дают в настоящее время средства машинной графики. Графический дисплей по существу «материализует» абстрактные информационные образы и позволяет таким образом включить в процесс решения наиболее мощные области человеческой интуиции. Возникновение письменности стало первой информационной революцией в истории развития человечества. Информационная революция - это преобразование общественных отношений из- за кардинальных изменений в сфере обработки информации, следствием к-рых шляется приобретение человечеством нового качества.

После начала массового применения письменности стала формироваться обособленная профессиональная группа, единственным служебным занятием кото- юй становится работа с информацией, оставляющая за собой монопольное право уступа к растущему фонду человеческого опыта и оставаясь посредниками меж- [у накопленными знаниями и заинтересованными в этих знаниях людьми. Этот швой барьер начал разрушаться только после изобретения книгопечатания, к- ое стало новой фундаментальной идеей в развитии науки. С полным правом ожно сказать, что книгопечатание стало второй информационной революцией истории развития человечества.

Стимулируемое книгопечатанием развитие наук ускорило темпы накопления эофессиональных знаний. Эти знания становились доступными для многих, оделенных в пространстве и во времени, участников трудового процесса и стащились источниками новых идей и плодотворных научных направлений. Цикл: ания - наука — производство - знания замкнулся и спираль технологического звития начала раскручиваться с нарастающей скоростью.

Третья информационная революция была обусловлена открытием принци- в электросвязи, благодаря к-рым появилась возможность оперативно переда- ъ информацию.

1етвертая информационная революция связана с открытием и широким использованием микропроцессоров.

1осле промышленной революции 18 века важной вехой в истории развития человечества явилось появление «новых машин» - машин для обработки информа- , которые появились лишь в середине 20-го века, когда растущее бремя информационных задач стало уже заметным фактором, тормозящим экономический I промышленно развитых стран.

Чтобы проиллюстрировать историю распределения и перераспределения трудовых ресурсов по мере развития цивилизации, можно привести график векового процесса перераспределения трудовых ресурсов из сферы материального производства в информационную сферу в США:

%

Сфера материального производства и обслуживания

80

30

10

Информационная

сфера

год

1900

1946

2000

Как видно из приведенного выше графика к 1946 году, когда была пущена в ^ эксплуатацию первая ЭВМ, общая численность занятых в информационной сфере США приблизилась к 30% численности всего трудоспособного населения я США.

В настоящее время можно указать по крайней мере три различных симптома, каждый из которых убедительно свидетельствует о начале перехода промышлен- й но развитых стран на качественно новый этап технологического развития, который принято называть веком информации:

1 1. время удвоения объема накопленных научных знаний составляет уже около

двух лет;

  1.  материальные затраты на хранение, передачу и переработку информации

1 превышают аналогичные расходы на энергетику (расходы на энергетику от

носят к расходам на материальное производство);

  1.  человечество впервые становится реально наблюдаемым на астрономических расстояниях, так как уровень радиоизлучения нашей планеты на от

дельных диапазонах приближается к уровню Солнца, перехол^ромьшшен-

Г Щ> развщърс стран

Однако, если проблемы, которые принято объединять понятием «энергетический кризис», вызывают, как правило, общее понимание и предпринимаются серьезные попытки на всех уровнях для преодоления этого кризиса, то проблема «информационного кризиса», которым отмечается переход промышленно развитых стран от века энергетики в век информации, воспринимаются намного труднее ввиду отсутствия у человечества исторического опыта.

Информационные ресурсы Растущая зависимость промышленно развитых стран от источников информации (технической, экономической, политической, военной и др.) а также от уровня развития и эффективности использования средств передачи и обработки информации привели к формированию в конце 20-го века принципиально новою понятия - национальные информационные ресурсы. Национальные информационные ресурсы - новая экономическая категория.

Председатель программы по формированию политики в области информационных ресурсов, профессор Гарвардского университета считает, что наступило время когда «информация становится таким же основным ресурсом, как материалы и энергия, и, следовательно, по отношению к этому ресурсу должны быть сформулированы те же основные вопросы: кто им владеет, кто в нем заинтересован, насколько он доступен, возможно ли его коммерческое использование?»

Рассмотрим некоторые тенденции, отражающие влияние информационных ресурсов на важнейшие показатели экономического развития США.

Истощение природных запасов сырьевых ресурсов еще несколько десятилетий назад поставило перед США проблему переориентации экономики на использование главным образом воспроизводимых ресурсов, то есть, как сказал президент Академии наук США в то время, «...на умные головы и применение научного знания», то есть на информационные ресурсы, которые относятся к весьма ограниченному числу экономически значимых воспроизводимых ресурсов. В течение 70-х годов 20 века рост доли наукоемких отраслей в промышленном экспорте стал основным проявлением компенсаторной реакции хозяйственного механизма США на резкое подорожание ввозимого сырья и энергоресурсов. Если импорт различных ТИП (товаров нар.потребл.) увеличился за этот период в 6 раз с 6-ти до 18-ти млрд. долл., то экспорт изделий и услуг индустрии информации выводит США на второе место среди всех отраслей по объему экспорта и составил 30 млрд. долл.

Какие же отрасли промышленности относят к наукоемким? Для каждой отрасли существует такой показатель как средний уровень затрат на научно- исследовательские и опытно-конструкторские разработки (НИОКР). Те отрасли, в которых это показатель заметно выше остальных, относят к наукоемким. Для индустрии ЭВМ этот показатель находится в пределах 7-8%, а в авиакосмической отрасли этот показатель достигает 12% от стоимости конечной продукции.

Затраты американской частной промышленности на НИОКР структурированы следующим образом:

  1.   3% на фундаментальные научные исследования;
  2.   20% на прикладные исследования (НИР);
  3.   77% на опытно-конструкторские разработки (ОКР);

но эти затраты покрывают лишь половину всех расходов на эти цели. Если учесть и государственные ассигнования, то структура этих затрат существенно меняется:

  1.   14% на фундаментальные научные исследования;
  2.   22% на прикладные исследования (НИР);
  3.   64% на опытно-конструкторские разработки (ОКР).

Кроме очевидного влияния на конкурентоспособность наукоемких отраслей промышленности информационные ресурсы оказывают решающее влияние и на такую важную статью внешней торговли, какой является патентно-лицензионный баланс. Так называемый невидимый экспорт - это один из определяющих показателей текущего уровня «технологического отрыва» США от ближаиших конкурентов. Понимание того, что жизнеспособность национальной экономики теперь в значительной степени зависит от качества и масштабов использования ею науки и техники, вызвало к жизни сопоставление технологических потенциалов государств. Эти сведения сегодня имеют такое же значение для дипломатов, какое несколько поколений назад имело сопоставление численности армий. Так, годовой доход США от экспорта лицензий в 80-е годы 20-го века превысил в среднем 4 млрд. долл., а затраты на приобретение лицензий составили в 10 раз меныпую сумму, а Япония за это время продавала лицензий в среднем на 0,3 млрд. долл., а приобретала на 1 млрд. долл. Это только официальная статистика, а существует еще и поток научно-технических решений и технологическая документация, циркулирующая внутри транснациональных корпораций (ТНК). Так как известно, что доходы этих ТНК почти в 5 раз превышает весь официально регистрируемый товарный оборот, то можно предположить близкий поправочный коэффициент к приведенным выше официальным оценкам патентно-лицензионного баланса.

В последнее время все более явно появляются черты так называемого «информационного колониализма», проявляющегося в размещении за рубежами сильной державы материалоемких и энергоемких производств, предприятий с экологически вредной технологией и др., но поощряющей встречный поток наиболее талантливых зарубежных специалистов (т.н. «утечка мозгов»). В настоящее время идет ожесточенная борьба между ТНК за контроль над наиболее ценными из всех известных до настоящего времени ресурсов - национальными информационными ресурсами. «Мы идем в другие страны, - говорит один из руководителей американской ТНК, - не для того, чтобы воспользоваться преимуществами более низких издержек..., а потому, что там есть интеллектуальные резервы, и мы должны перехватить их, чтобы иметь возможность конкурировать с другими ТНК».

Расходы американских ТНК на НИОКР за рубежом растут быстрее, чем аналогичные затраты в целом по промышленности внутри США. Местный персонал составляет 92% занятых в зарубежных исследованиях, 6% специалистов - американцы и это, в основном, высокооплачиваемые административные работники.

Повышение сложности хозяйственного механизма выдвинуло в число важнейших факторов экономического развития страны уровень организационной культуры и качество управления профессиональной деятельностью людей. К сопоставлению «технологических потенциалов» прибавляется сопоставление «управленческих потенциалов». Искусство, методы и технологию практического решения управленческих задач объединяет понятие менеджмент.

Как известно, большая часть производственных усилий людей, занятых в общественного производства, имеет своей целью управление людьми и машинами в ходе трудового процесса. Лавинообразный рост потенциала требующих строгого контроля природных сил, быстрое усложнение трудового процесса и отношений между его участниками приближает общество к естественному порогу сложности, за которым невооруженный инструментами для обработки информации разум оказывается бессилен эффективно контролировать ситуацию. Поэтому производительность труда в информационном секторе становится ключевым фактором повышения эффективности общественного производства.

формы использования ЭВМ в информационном секторе весьма разнообразны. Это и мощные вычислительные центры для централизованного хранения больших объемов информации для обеспечения информационно-поисковых запросов абонентов глобальных сетей, которые могут также быть использованы для решения «предельных» по вычислительным ресурсам научных задач таких как прогнозирование погоды, расчет режимов работы ядерного реактора, обработка изображений (аэрофотосъемки, исследование элементарных частиц и др.). Это и большое число территориально распределенных локальных сетей (зависимых или независимых) и отдельно устанавливаемых мощных ПЭВМ и др. Это и всевозможные микропроцессоры, работающие в изделиях и на производстве.

В результате ранжирования ученым советом военного ведомства США наиболее значимых технологий создания вооружений для американской армии в список пяти первых вошли такие пункты, как «Разработка усовершенствованного программного обеспечения и алгоритмов» а также «Автоматизированные средства обучения персонала», а вскоре после обнародования этой информации стало известно, что согласно дополнительной рекомендации того же ученого совета самый высший приоритет отдавался проведению НИОКР в области робототехники и автоматизации производства. Этот пример служит иллюстрацией тезиса, который неоднократно подчеркивался американскими экспертами: «компьютер в одно и то же время и орудие экономического развития и стратегическое оружие». Производительность труда занятых в информационной сфере обуславливает эффективность использования этого стратегического ресурса и, следовательно, в значительной степени реальный экономический и военный потенциал страны. В данный момент производственная эффективность изделий и услуг, создаваемых ! отраслями электроники, связи и вычислительной техники для промышленной эксплуатации национальных информационных ресурсов, является одним из ключевых факторов экономического роста промышленно развитых стран.

Информатика и современные информационные технологии Основные понятия и определения

Информация - это набор символов, графических образов или звуковых сигналов, несущих определенную смысловую нагрузку.

Понятие "информация" является общенаучным понятием. Аналогичными неопределяемыми понятиями, например, в математике являются "точка", "прямая". Можно сделать некоторые утверждения, связанные с этими математическими понятиями, но сами они не могут быть определены с помощью элементарных понятий.

g простейшем бытовом понимании с термином ’’информация' обычно ассоциируются некоторые сведения, данные, знания и др. о чем или ком-нибудь.

В широком смысле информация - это отражение реального мира. Весь окру- Щ жаюший нас мир можно представить в виде совокупности объектов и процессов. ш Под объектами можно понимать отдельные физические тела или комплексы тел, ¥ которые мы рассматриваем как единое целое. Например, объект - это дом, чело- V век, планета, а также Солнечная система или муравейник с муравьями. Объекты участвуют в различных процессах. Примером простого процесса является движение шарика по поверхности стола или полет спутника по орбите. Процесс может быть комплексом нескольких процессов.

И объекты, и процессы имеют свои свойства. К свойствам объектов можно отнести объем, массу, температуру, положение в пространстве, к свойствам процесса - время, скорость, количество объектов, участвующих в процессе. Используя понятия объекта, процесса и их свойств, можно вывести понятие информации.

В более узком смысле под информацией будем понимать набор сведений о свойствах какого-то объекта или процесса.

Сообщение несет информацию для человека тогда, когда заключенные в нем сведения являются для него новыми и понятными, то есть, пополняют уже имеющиеся знания и логически связаны с ними.

Информация и информационные процессы существовали и до появления человечества. Самая важная информация, которую получал человек, и которая давала возможность ему выжить в первобытных условиях, сохранялась им в виде знаний.

Знание - это осознанная информация.

Информация наряду с материей и энергией является первичным понятием нашего мира и поэтому в строгом смысле не может быть определена. Можно лишь перечислить ее основные свойства, например такие как:

  1.   информация приносит сведения, об окружающем мире которых в рассматриваемой точке не было до ее получения;
  2.   информация не материальна, но она проявляется в форме материальных носителей дискретных знаков или первичных сигналах;
  3.   знаки и первичные сигналы несут информацию только для получателя способного их распознать.

Информация передается, и хранится в виде сообщений. Под сообщением понимают совокупность знаков или первичных сигналов, содержащих информацию. Иначе говоря, сообщение - это информация представленная в какой-либо форме. Пример сообщений: текст телеграммы, данные на выходе ЭВМ, речь, музыка и т.д.

Информатика — это наука, изучающая способы автоматизированного создания, хранения, обработки, использования, передачи и защиты информации.

Термин "информатика" (франц. informatique) происходит от французских слов information (информация) и automatique (автоматика) и дословно означает "информационная автоматика".

Широко распространён также англоязычный вариант этого термина "Computer science", что означает буквально "компьютерная наука".

Информатика - это основанная на использовании компьютерной техники дис I иплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и применения в различных сферах человеческой деятельности.

■ В 1978 году международный научный конгресс официально закрепил за поня- I тием Iинформатика" области, связанные с разработкой, созданием, использованием и материально-техническим обслуживанием систем обработки информации, включая компьютеры и их программное обеспечение, а также организационные и др. аспекты компьютеризации — массового внедрения компьютерной техники во все области жизни людей.

Таким образом, информатика базируется на компьютерной технике и немыслима без нее.

Информатика — научная дисциплина с широчайшим диапазоном применения. Её основные направления:

  1.   разработка вычислительных систем и программного обеспечения;
  2.   теория информации, изучающая процессы, связанные с передачей, приёмом, преобразованием и хранением информации;
  3.   методы искусственного интеллекта, позволяющие создавать программы для решения задач, требующих определённых интеллектуальных усилий при выполнении их человеком (логический вывод, обучение, понимание речи, визуальное восприятие, игры и др.);

| системный анализ, заключающийся в анализе назначения проектируемой системы и в установлении требований, которым она должна отвечать;

I методы машинной графики, анимации, средства мультимедиа;

I средства телекоммуникации, в том числе, глобальные компьютерные сети, объединяющие всё человечество в единое информационное сообщество;

| разнообразные приложения, охватывающие производство, науку, образование, медицину, торговлю, сельское хозяйство и все другие виды хозяйственной и общественной деятельности.

Модели решения функциональных и вычислительных задач.

Моделирование как метод познания.

Модель (от лат modulus — мера, образец, норма) - искусственно созданный заместитель фрагмента действительности (предмета, объекта, явления, ситуации), который можно в определенных целях использовать для получения информации об исходной реальности. Модель должна:

а)отражать существенные черты явления, чтобы сделанные по модели выводы можно было применить к этому явлению;

б)упрощать явление так, чтобы действовать с моделью было легче, чем с реальным объектом. Модель, как упрощенный объект, отбрасывает несущественные для наших целей свойства исходного явления и содержит меньше информации, чем можно извлечь из самого явления.

С другой стороны, модель позволяет получить новую информацию, которая р|лее отсутствовала и которую невозможно или трудно получить, манипулируя с самим объектом (при какой нагрузке сломается мост, потепления или похолодания климата следует ожидать в будущем). Один и тот же реальный объект может быть описан разными моделями (в разных аспектах и с разными целями). Одна и та же модель (например, уравнение) может рассматриваться как модель разных реальных ситуаций (времени наполнения бассейна и пути, пройденного телом).

Моделирование - метод познания, включающий создание модели (искусственного заменителя) явлени^ннрсдметагобъекта, сйтуации~(объвкта моделирования), и действия с этой моделью для последующего применения получеиШ^рр^ зульгошвковъекту моделирования.

В инженерных и экономических задачах использование моделирования целесообразно, в частности, если:

(а)нет смысла дожидаться наступления интересующих нас событий, растянутых во времени (прогноз численности населения);

(б)создание объекта чрезвычайно дорого (определение последствий строительства ГЭС);

(в)исследование объекта приводит к его разрушению (оценка предельного веса снега, который может выдержать купол построенного здания).

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕВОЗМОЖНО, ЕСЛИ НЕИЗВЕСТНЫ СУЩЕСТВЕННЫЕ СВОЙСТВА ИССЛЕДУЕМОГО ОБЪЕКТА

Классификация моделей.

1)По характеру модели - способам (инструментам) моделирования.

  1.  Физические (материальные) - объекты реального мира.

1.1 .Натурные — воспроизведение с другими размерами, из другого материала и т.п. (уменьшенная модель самолета, увеличенная модель сердца, бумажный макет здания).

1.2.Аналоговые - объект другой физической природы, но с аналогичным поведением (электрическая схема, заменяющая измерение распределения температур в физической среде).

  1.  Абстрактные (идеальные, информационные) - мыеяенйЫе представления, зафиксированные в обозначениях определенной степени условности.

Наглядные (зрительные), .Образные, Схематические, .Знаковые, .Описательные (словесные), Табличные, .Математические, Компьютер- Т ные - программы.

Модели могут сочетать в себе черты разных типов. Так, форма глобуса является натурной моделью Земли, а изображение на нем — схематической моделью. Описываемые ниже графы представляют собой математическую модель, в которой используются элементы наглядной схематической модели. ГГ е^ег информатики включает, прежде всего, компьютерные модели. Однако все такие модели строятся на базе определенных математических (иногда схематических или табличных) моделей. А результаты компьютерных расчетов [ должны быть представлены в наглядной или табличной форме. Поэтому информатика рассматривает компьютерное моделирование в связи с математическим и I со способами (моделями) представления результатов в виде схем, графиков, таб- I лиц и формул.

Imp способу представления системы (объекта) в модели.

Ш)По свойствам математической и компьютерной моделей, используемых для описания объекта. С этих позиций можно выделить независимые признаки, каждый из которых разделяет модели на два противоположных класса.

  1.  Статические модели, описывающие состояние системы в определенный момент времени (распределение нагрузки по длине балки; состав населения по возрастным группам),
  2.  Динамические модели, отражающие изменение во времени (движение краев колеблющейся балки; изменение рождаемости, смертности, численности населения по годам).
  3.  Детерминированные модели, позволяющие получить однозначно определенный результат (каким будет ток при заданных напряжении и сопротивлении),
  4.  Стохастические (вероятностные) модели, позволяющие предсказать только вероятность каждого возможного результата (пол ребенка; выигрыш в лотерею).
  5.  Непрерывные модели, в которых для переменных возможны любые значение из определенного интервала (скорость, путь, ток), - Дискретные модели, в которых переменная может принимать только одно из конечного множест-

рч ва значений (номер выбранного проекта или исполнителя работ).

ШПо специализации# универсальности различают:

  1.  Содержательные, предметные модели, описывающие конкретное явление из определенной области (уравнения физики, описывающие процессы в атмосфере или недрах Земли; модели управления запасами на складе в менеджменте).
  2.  Формальные модели - «заготовки» математического аппарата, которые могут быть применены к разнообразным задачам и явлениям.

Среди моделей последнего типа можно отметить:

А)Системы алгебраических уравнений, которые можно использовать для описания силовых взаимодействий между стержнями фермы моста, потоков жидкости в трубопроводе, поставок товаров между предприятиями и т.д.

Б)Системы дифференциальных уравнений, связывающих между собой изменения во времени переменных, их скоростей и ускорений, которые можно использовать для описания непрерывных динамических процессов в физике (движение планет), химии (изменение концентрации веществ) и т.д. В)Модели конечных автоматов, которые представляют собой перечень or раниченного числа состояний объекта и условия перехода из одного состояния в другое (эти условия могут быть однозначно заданы - детерминированный конечный автомат или включать «бросание жребия» - вероятностный автомат).

Такие модели хорошо подходят для задач оперативного управления, например, выбора момента переключения светофора в зависимости от ситуации на перекрестке или выбора модели, запускаемой на сборочный конвейер в зависимости от наличия комплектующих.

Г)Модели графов, представляющие из себя множество вершин (узлов) и соединяющих некоторые из вершин линий (ребер, дуг). Эти модели позволяют описывать планирование строительства (сетевые графики) и задачи логистики (маршрутизации потоков), например, классическую «задачу коммивояжера» — выбора наиболее короткого и неповторяющегося маршрута развозки товара.

Классификация задач, решаемых с помощью моделей.

Задачи (функции) моделирования:

а)выработка понимания устройства и поведения объекта (инструмент познания);

б)прогнозирование характеристик и состояния объекта (инструмент прогнозирования);

в)выбор воздействий, которые позволят достичь наших целей (инструмент планирования и управления).

В реальности эти задачи могут быть связаны и переплетены.В зависимости от характера решаемой задачи и свойств моделируемого объекта выбираются свойства модели и используемый математический аппарат.

Методы и технологии моделирования.

Технология решения задач (анализа, прогнозирования, управления) с использованием компьютерного моделирования включает основные этапы:

  1.  Постановка задачи — описание исходной задачи и исходных данных («что дано») и определение целей моделирования, требований к результатам («что нужно найти»).
  2.  Разработка концептуальной модели («расчетной схемы», упрощенного представления) или структуризация или качественный анализ - формулировка предположений и упрощений, выделение существенных элементов и взаимосвязей (результаты этапа желательно представить максимально наглядно — в виде схем, диаграмм или, по крайней мере, сжатого лаконичного описания).
  3.  Разработка математической модели, формализация задачи — описание объекта (точнее, разработанной ранее его упрощенной концептуальной модели) на искусственном математическом («формальном») языке с использованием наи-более адекватного математического аппарата.

^Алгоритмизация задачи - разработка алгоритма расчета, представляющего математическую модель в виде четкой и однозначной последовательности операций, которые могут быть выполнены на компьютере. 5){(0дирование алгоритма с помощью выбранных средств программирования языка и системы программирования, электронных таблиц, набора запросов,

|)0рм и отчетов базы данных и т.п.).*

^Тестирование (отладка) компьютерной системы (программы, расчетной таблицы, базы данных) для выявления и устранения ошибок. Этот этап является обязательным и, зачастую, наиболее длительным, потому что, в силу причин, объяс- 1яемых в соответствующем разделе курса, создать сразу программу без ошибок 1евозможно.

  1.  Использование компьютерной системы для решения поставленных задач объяснения функционирования моделируемой системы, прогнозирования ее поведения, принятия управленческих решений и т.п.
  2.  Интерпретация результатов компьютерного моделирования - формулировка выводов р&йнализа шсяВя^ и-еяедствий полученн^^Ьр^Ьн^бв, выработка мер по реализации выбранного решения.

Процесс решения задачи с использованием компьютерного моделирования является итеративным (циклическим): на любом из этапов может потребоваться возврат на любой из предыдущих и внесение изменений. Так, даже на этапе интерпретации результатов может оказаться, что полученные выводы неприменимы практически и нужно вернуться к постановке задачи, пересмотрев состав исходных данных и цели моделирования (требования к результатам).

Краткая история развития вычислительной техники

Коренной перелом в области технологии обработки информации начался после второй мировой войны, когда были созданы первые ЭВМ. В вычислительных машинах первого поколения основными элементами были электронные лампы. Эти машины занимали громадные залы, весили сотни тонн и расходовали сотни киловатт электроэнергии. Их быстродействие и надежность были низкими, а стоимость достигала 500-700 тысяч долларов.

Появление более мощных и дешевых ЭВМ второго поколения стало возможным благодаря изобретению в 1948 году полупроводниковых устройств- транзисторов. Главный недостаток машин первого и второго поколений заключался в том, что они собирались из большого числа компонент, соединяемых между собой. Точки соединения (пайки) являются самыми ненадежными местами в электронной технике, поэтому эти ЭВМ часто выходили из строя.

В ЭВМ третьего поколения (с середины 60-х годов XX века) стали использоваться интегральные микросхемы (чипы) - устройства, содержащие в себе тысячи транзисторов и других элементов, но изготовляемые как единое целое, без сварных или паяных соединений этих элементов между собой. Это привело не только к резкому увеличению надежности ЭВМ, но и к снижению размеров, энергопотребления и стоимости (до 50 тысяч долларов).

История ЭВМ четвертого поколения началась в 1970 году, когда ранее никому не известная американская фирма INTEL создала большую интегральную схему (ВИС), содержащую в себе практически всю основную электронику компьютера. Цена одной такой схемы (микропроцессора) составляла всего несколько десятков долларов что в итоге и привело к снижению цен на ЭВМ до уровня доступных широкому кругу пользователей.

Современные ЭВМ - это ЭВМ четвертого поколения, в которых используются большие интегральные схемы.

90-ые годы ХХ-го века ознаменовались бурным развитием компьютерных сетей, охватывающих весь мир. Именно к началу 90-ых количество подключенных к ним компьютеров достигло такого большого значения, что объем ресурсов доступных пользователям сетей привел к переходу ЭВМ в новое качество. Компьютеры стали инструментом для принципиально нового способа общения людей через сети, обеспечивающего практически неограниченный доступ к информации, находящейся на огромном множестве ЭВМ во всем мире - "глобальной информационной среде обитания".

Информация, носители информации, сигналы

Что такое информация мы уже обсуждали и давали определение ее в широком смысле, как отражение реального мира.

Как известно из физики, все, что нас окружает и с чем мы сталкиваемся ежедневно, относится либо к физическим телам, либо к физическим полям и эти объекты находятся в процессе непрерывного движения и изменения, сопровождаемых обменом энергией. Все виды энергообмена сопровождаются появлением сигналов, к-рые имеют материальную энергетическую природу, при взаимодействии к-рых с физич. телами в последних возникают определенные изменения св- в - это явление наз-ся регистрацией сигналов. Эти изменения можно регистрировать и возникают уже другие сигналы, то есть образуются данные. В соотв. с методом регистрации данные могут храниться и регистрироваться на носителях разных видов.

Самым распространенным носителем данных явл. бумага, где данные регист- рир. путем изменения оптических хар-к ее поверхности. Таким же образом реги- стрир. данные и на оптических носителях (лазерн. диски). Изменение магнитных св-в при регистр, данных используют магн. ленты и диски. Изменение химич. св- в при регистр, данных используют в фотографии.

Носители данных интересуют нас не сами по себе, а потому, что св-ва информации тесно связаны со св-вами ее носителей. Любой носитель можно характ. параметром разрешающей способности (кол-вом данных, записанных в соотв. един, измерения для носителя) и динамическим диапазоном (логарифм, отношением интенсивности амплитуд макс. и мин. регистрируемых сигналов). От этих св-в сильно зависят такие св-ва информации, как полнота, доступность и достоверность. Например, в базе данных, размещенной на флешке, проще обеспечить полноту информации, чем в аналогичной по назначению базе данных на гибком Диске.

Задача преобразования данных с целью смены носителя является одной из ВаЖнейших задач информатики. В структуре стоимости выч. систем устр-ва для Вв°Да и вывода данных, работающие с носителями информации составляют до п°ловины стоимости аппаратных ср-в. Получение информации тесно связано с информационными процессами, поэтому имеет смысл рассмотреть отдельно их виды.

Сбор данных — это деятельность субъекта по накоплению данных с целью обеспечения достаточной полноты. Соединяясь с адекватными метод^ли>данньюро- ждают информацию, способную помочь в принятии решения. Например, интересуясь ценой товара, его потребительскими свойствами, мы собираем информацию для того, чтобы принять решение: покупать или не покупать его. пфедачй данных — это процесс обмена данными. Предполагается, что существует источник информации, канал связи, приемник информации, и между ними приняты соглашения о порядке обмена данными, эти соглашения называются протоколами обмена. Например, в обычной беседе между двумя людьми негласно принимается соглашение, не перебивать друг друга во время разговора. Хранение данных — это поддержание данных в форме, постоянно готовой к выдаче их потребителю. Одни и те же данные могут быть востребованы не однажды, поэтому разрабатывается способ их хранения (обычно на материальных носителях) и методы доступа к ним по запросу потребителя.

Обработка данных — это процесс преобразования информации от исходной ее формы до определенного результата. Сбор, накопление, хранение информации часто не являются конечной целью информационного процесса. Чаще всего первичные данные привлекаются для решения какой-либо проблемы, затем они преобразуются шаг за шагом в соответствии с алгоритмом решения задачи до получения выходных данных, которые после анализа пользователем предоставляют необходимую информацию.

Системы счисления. Алгоритмы перехода от одной системы к другой

Система счисления — это совокупность приемов и правил для записи чисел цифрами или знаками. Все системы счисления можно разделить на позиционные и непозиционные. Мы пользуемся, в основном, позиционной (десятичной) системой. Древние римляне пользовались только непозиционной системой счисления. Она так сейчас и называется — римская система.

Во всех позиционных системах счисления для записи чисел используется нек- рое конечное (для каждой системы это число одно и то же) кол-во отличных друг от друга цифр и знаков. Число таких символов в позиционной системе счисления наз-ся основанием системы. В след. табл. приведены названия и основания нек- рыхпозиц-ных систем счисления:

Основание

Название сист. счисл.

Знаки

2

Двоичная

0,1

3

Троичная

0, 1,2

4

Четвертичная

0, 1,2,3

5

Пятиричная

0,1, 2, 3,4

8

Восьмеричная

0, 1,2, 3,4, 5. 6. 7

10

Десятичная

0, 1,2. 3,4, 5, 6. 7. 8,9

16

Шестнадцатеричная

0, 1, 2,3, 4, 5. 6, 7, 8, 9,А, В, С, D, ь, г

В этой системе счисления величина числа определяется значениями входящих цифр и их относительным положением в числе. Например, число 523,46 в В Личной системе счисления выглядит так:

Д6§3,46ю = 5-1°2 + 2-1()1 + 3-10° + 4-10'1 + 6-10"2

а это же число, записанное в восьмеричной системе счисления, выглядит так: 523,46s = 5-82 + 2'8' + 3-8° + 4-8'1 + 6-8'2

И это будет уже совсем другое число, если его перевести в десятичную систему

счисления.

При работе с компьютерами приходится параллельно использовать несколько позиционных систем счисл. (чаще всего двоичн., десятичн, восьмерич. и шестнадцатеричную), поэтому большое значение имеют процедуры перевода чисел из 0дНой системы счисл. в другую.

Перевод из одной системы в другую

Подразделяется на перевод отдельно целых чисел (целой части дробного числа) и чисто дробных чисел (дробной части числа). н&Ьо £

Целое число переводится так: оно делится на основание^системы счисления, п|*^остал:ок1. Затем неполное частное , если оно больше или равно осно- ваникьеистемы, опять делится на основание системы счисления. Получается ос- таток2. Затем неполное частное , если оно больше или равно основанию системы, опять делится на основание системы счисления. Получается остатокЗ. И так далее, пока неполное частное не будет меньше основания системы. Число в новой системе формируется из знаков так: скажем, остаток5, остаток4, остатокЗ, остаток и остаток 1. Например, перевод числа 25 ю в двоичную систему выглядит так: 25/2 = 12 (остат. 1); 12/2 = 6 (остат.О); 6/2 = 3 (остат.О); 3/2 = 1 (остат. 1); 1 / 2 = О (остат.1). Получаем число 110012.

Перевод чисто дробного числа разработан следующий алгоритм:

Целая часть числа в навой системе - это 0. Затем число в старой системе умножается на основанйехистемы счисления. Целая часть произведения будет первой цифрой нового числа. Затем целая часть полученного числа отбрасывается и уже это число снова умножается на основание системы счисления. Целая часть произведения будет второй цифрой нового числа. И так далее. Этот процесс бесконечен и поэтому в этом случае необходимо где-то остановиться самим.

Пример. Число 0,73 ю надо перевести в двоичную систему. Алгоритм такой: 0,73*2 = 1,46; 0,46*2 = 0,92; 0,92*2 = 1,84; 0,84*2 = 1,68;...

Получаем число: 0,1011.

Над числами, записанными в произвольной системе счисления можно произ- > водить разные арифм. действия. Самые простые из них - сложение и умножение. Для выполнения этих действий в двоичной системе счисления проще всего использовать соотв. таблицы, приведен, ниже:

Табл. сложения Табл. умножения

+

0

1

0

1

LT

1

10

*

0

1

0

0

0

1

0

1

q практической точки зрения представляет интерес быстрый перевод целых чисел между «родственными» системами счисления 2-ичной, 8-ричной и 16-

Шестнадцатеричная

Восьмеричная

Двоичная

0

0

ООО

1

1

001

2

2

010

р 3

3

011

4

4

100

5

5

101

6

6

110

7

7

111

8

10

1000

9

11

1001

Р; А

12

1010

1 В

13

1011

с

14

1100

D

15

1101

Щ Е

16

1110

F

17

1111

из двоичной в 16-ти ричную и обратно.

Структура ЭВМ

Архитектура ПЭВМ определяется совокупностью свойств компьютера, существенных для пользователя. Основное внимание при этом уделяется структуре и функциональным возможностям ПЭВМ, которые можно разделить на основные и дополнительные.

Основные функции ПЭВМ это обработка и хранение информации, обмен информации с внешними объектами. Дополнительные функции повышают эффективность выполнения основных функций. Все функции ПЭВМ реализованы с помощью аппаратных и программных средств.

Структура ПЭВМ - это некоторая модель, устанавливающая состав, порядок и принципы взаимодействия входящих в нее компонентов.

Основные принципы устройства вычислит, машин заложил амер. математик Джон фон Нейман. Он занимался созданием первой в мире ламповой ЭВМ Эни- ак. Затем в процессе улучшения конструкции ЭВМ Нейман высказал идею конструкции принципиально новой ЭВМ и предложил ее структуру. Эта структура точно воспроизводилась в течении первых двух поколений ЭВМ, а затем стала

По-видимому, значительное отклонение от фон-Неймановской архитектуры роизойдет в рез-те развития идеи ЭВМ 5-го поколения, в основе обработки информации к-рых лежат не вычисления, а логические выводы.

Состав оборудования ПК можно гибко изменять по мере необходимости, но существует понятие базовой конфигурации, которую считают типовой.

В настоящее время базовую конфигурацию принято считать состоящей из следующих основных устройств:

системный блок; монитор; клавиатура; мышь.

Основной узел, внутри которого установлены наиболее важные компоненты - это системный блок. Устройства, находящиеся внутри системного блока, называются внутренними устройствами, а устройства, подключаемые к нему снаружи называются внешними. Внешние дополнительные устройства, предназначенные для ввода, вывода и длительного хранения информации называют также периферийными.

Рассмотрим состав и назначение основных устройств системного блока ПК.

Микропроцессор — это центральный блок ПК, предназначенный для управле-

Видеоадаптер

Адаптер принтера

Источник

питания

Сетевой

м

адаптер

Дисплей

Принтер

Основная

память

ПЗУ

ОЗУ

Адаптер НЖМД

Интерфейс клавиатуры

Клавиатура

ния работой всех блоков памяти и для выполнения арифметических и логических операций над информацией. В его состав входят:

1. УУ - устройство управления, которое формирует и подает во все блоки ПК в нужные моменты времени определенные сигналы управления (импульсы), формирует адреса ячеек памяти и др.

2. АЛУ ~ арифметико-логическое устройство, которое предназначено для выполнения арифметических и логических операций над символьной и числовой информацией В некоторых моделях ПК к АЛУ подключается математических сопроцессор.

3 МПП - микропроцессорная память, которая служит для кратковременного хранения, записи и выдачи информации, непосредственно используемой в вычислениях в ближайшие такты работы ПК.

4. Интерфейсная система микропроцессора, которая реализует сопряжение и связь с другими устройствами ПК, включает в себя внутренний интерфейс МП, буферные запоминающие регистры и схемы управления портами ввода-вывода и системной шиной.

Команда - совокупность сведений, необходимых процессору для выполнения определенного действия при выполнении программы. Команда состоит из кода эперации, содержащего указание на операцию, к-рую необх. выполнить и несколько адресных полей, содержащих указание на места расположения операндов (компонентов) команды. Способ вычисления адреса по информации, находящейся в адресном поле команды, называется режимом адресации. Мн-во команд, реализованных в данной ЭВМ образует ее систему команд.

Основная интерфейсная система компьютера - системная шина. Она состоит из:

  1.   КШД - кодовой шины данных;
  2.   КША — кодовой шины адреса;
  3.   КШИ — кодовой шины инструкций;
  4.   Шину питания, которая служит для подключения блоков ПК к системе питания.

Системная шина обеспечивает три направления передачи информации:

  1.   между МП и основной памятью;
  2.   между МП и портами ввода-вывода;
  3.   между основной памятью и портами ввода-вывода в режиме прямого доступа к памяти.

Основная память предназначена для хранения и оперативного обмена информацией с прочими блоками ПК и содержит два вида запоминающих устройств - ПЗУ и ОЗУ.

ПЗУ служит для хранения неизменяемой (постоянной) программной и справочной информации и позволяет только оперативно считывать хранящуюся здесь информацию.

ОЗУ служит для оперативной записи, хранения и считывания информации (как текстов программ так и данных), непосредственно участвующей в информационно-вычислительном процессе, выполняемом ПК в данный момент времени. Основное достоинство - большое быстродействие, а главный недостаток - невозможность сохранения информации после отключения питания ПК.

Внешняя память — это внешнее устройство, предназначенное для долговременно хранения информации. Память содержит разные виды запоминающих устройств, но наиболее распространенные из них — это накопитель на жестком и накопитель на гибком НГМД магнитном диске. Они различаются лишь объемами хранимой информации и временем поиска, записи и считывания информации.

Источник питания — блок, содержащий системы автономного и сетевого

энергопитания.

Информационная модель ЭВМ. Формы представления в ЭВМ числовых

данных

Обработка чисел, символьной информации, логическая обработка, обработка сигналов — это все частные случаи общего понятия под названием «обработка информации».В ЭВМ информация представляется с помощью двоичных целых чисел. Существуют три этапа обработки информации:

  1.   хранения двоичной информации;
  2.   передача от одного хранилища к другому;
  3.   преобразование информации.

ЭВМ можно представить как совокупность узлов, соединенных каналами связи. Узлы имеют в себе функции и хранения и преобразования. По каналам связи информация передается от узла к узлу. Нек-рые узлы имеют специальную функцию ввода или вывода информации в ЭВМ.

Рассмотрим теперь как же представляется информация в ЭВМ.

В математике широко используются две формы записи чисел: естественная и нормальная. При естественной форме числа записываются так, как мы и привыкли их писать: 23745,0,00273, 3,4365 и т.п.

При нормальной форме запись одного и того же числа м.б. различной, в зависимости от ограничений, накладываемых на форму этого числа. Например, число 23745 м.б. представлено так 2,3745*104 и так 0,23745*105 и так 237450*10-1 и т.п. При естественном представлении чисел в ЭВМ устанавливаются фиксированные длины целой и дробной частей независимо от величины числа. В связи с этим такое представление называют представление чисел с фиксированной запятой. Е современных ЭВМ такая форма используется преимущественно для представления целых чисел.

Т.к. числа бывают и положит, и отрицат., то в разрядной сетке при их представлении в ЭВМ один разряд отводится под знак числа, а остальные образуют . поле числа. В знаковый разряд, к-рый может нах-ся как в начале, так и в конце

числа записывается информация о знаке - знак положительного числа изображается символом 0, отрицательного - символом 1. Если поле числа включает N разрядов, то диапазон представления целых чисел в этом случае такой: - от -(2 -1] Д0+(2ы-1).

Представление чисел в ЭВМ в нормальной форме - это представление чисел в L форме с плавающей запятой, т.к. положение запятой, как видно из вышеприведенного примера в этом случае неоднозначно.

В норм, форме число записывается след, образом: А = ш*ря, где ш - мантисса а числа, q - порядок (хар-ка) числа, р - основание системы счисления.

Чтобы избежать неоднозначности представления чисел используют т.н. нормализованную форму, для к-рой мантисса по модулю д.б. больше нуля и Под кодом понимается изображение нормализованного числа, в к-ром слева от запятой стоит символ, отображающий знак этого числа. (+ - 0, - - 1). В ЭВМ используют прямой, обратный и дополнительный коды. В Запоминающем Устр-ве (ЗУ) ЭВМ все числа хранятся в прямом коде. Коды обозначаются - [Х]пр Нищ [Х]Доп* Положительное число во всех кодах изображается одинаково.

X = [Х]пр = [Х]„бр = [Х]доп. Изображение отрицательных имеет свои особенности.

Прямой код: дробная часть - без изменений, в знаковом разряде записывается Ц Если X = - ,101101, то [Х]пр- 1,101101 Обратный код: в дробной части числа производится инверсия по разрядам - О замен. 1, а 1 замен. 0. В знаковом разряде записывается 1. Если X = - ,101101, то [Х]обр =1,010010.

Дополнительный код: образуется дополнением 1 к младшему разряду обратного кода отриц. числа. Если X = -, 101101, то [Х]0бР = 1,010010, а [Х]доп-— 1,010011.

При выполнении арифм. операций алгебраич. сложения числа представляются в обратном или дополнительном кодах. Затем коды чисел складываются, в рез-те чего получается обратный или дополнительный код суммы. Если надо перенести рез-т в ЗУ, то его переводят в прямой код.

Пример. Сложим два числа: XI = +0,0101 и Х2 = -0,1001. Если делать это напрямую, то порядок такой:

  1.   производится оценка модулей и знаков чисел
  2.   выбор большего по модулю числа
  3.   вычитание из большего по модулю числа меньшего по модулю числа
  4.   присваивание рез-ту знака числа, имеющего больший модуль.

Напрямую: XI + Х2 = 0,0101 - 0,1001 = -0,0100

При применении обратного или доп. кодов операция алгебр, сложения сводится к простому сложению всех разрядов, включая знаковый:

Используем обратный код

[Х1]обр = 0,0101 [Х2]обр= 1,0110 [Х1]обр + [Х2]обр = 1,1011

Ответ в прямом коде: -0,0100

Используем дополнительный код

[Х1]доп.= 0,0101 [Х2]доп.= 1,0111

[Х1]доп.+ [Х2]доп.= 1,1100 [Х1]обр + [Х2]обр = 1,1011

Ответ в прямом коде: -0,0100

Если при сложении произойдет перенос 1 в знаковый разряд, то в обратном коде эта 1 добавляется к младшему разряду суммы (т.н. циклич. перенос), а в доп. коде эта единица отбрасывается из знакового разряда суммы.

Самостоятельно: сложить два числа XI = - 0,0101 и Х2 = + 0,1001. Здесь получается положит, число, поэтому перевод в прямой код не требуется.

Т- обр. в цифровых ЭВМ все арифм. операции свод, к операц. сложения.

Логические основы построения ЭВМ.




1. Лекция по теме Социальная работа с пожилыми людьми Выполнили студентки
2. Прагни завжди перемагати скоріше самого себе ніж долю і змінювати скоріше свої бажання ніж порядок у світ
3. Дослідження сучасного стану статусу національних меншин в України
4. Les Miserbles L~homme qui rit ete publie u XIX siecle1
5. тематическая пластика Образуется художественными формами примерно равными по ширине глубине высоте
6. Твой Время проведения- Сб 14181
7. Простая история Студентки группы 7852 СПбГУКиТ Каториной Анны Игоревны Как часто у нас не хватает
8. Обрезка чайно-гибридных и ремонтантных роз и роз группы флорибунда
9. Редкие охраняемые виды животных на территории Красноярского края
10. А они так и не дали возможности торговым фирмам промышленным и сел ьскохозяйственным организациям ощутить
11. Федерация Pole Dnce г
12. Магнитное поле силовое поле действующее на движущиеся электрические заряды и на тела обладающие магни
13. Лекция 1 Задачи и основы организации Единой государственной системы предупреждения и ликвидации ч
14. Українська діаспора
15. ТЕМА ПРАВОВАЯ ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ Постановка вопросов Общая хара
16. Вопрос 20 Статические модели объектно
17. Античность - средние века - новое время Причины и механизмы смены эпох
18. На Господи воззвах поставим стихов 10 и поем стихиры воскресны глас 3
19. х годах начал восстанавливаться статус социального института социологии в нашей стране вновь
20. Среднее профессиональное образование История Рекомендовано Министерством образования Российской Фе

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе